66

3. Regimul deformant - Distorsiuni armonice 3.1 Regimul deformant - Generalităţi 3.1.1 Cauzele regimului deformant Perturbaţiile continue (altele decât supratensiunile sau subtensiunile de lungă durată) se manifestă ca distorsiuni armonice. Printre sursele unor astfel de distorsiuni se află generatoarele sincrone ale producătorilor de energie electrică, aparatura de comandă în frecvenţă variabilă a turaţiei motoarelor asincrone, redresoarele în punte, cuptoarele cu arc electric, aparatele de sudare, sursele neîntreruptibile de alimentare cu energie electrică, sursele de alimentare în comutaţie ale echipamentelor de calcul, balasturile electromagnetice şi electronice ale lămpilor fluorescente, etc. Consumatorii care deţin un număr mare de echipamente de tipul celor menţionate sunt cei mai predispuşi la apariţia problemelor cauzate de distorsiuni armonice. Deci sursele acestui tip de perturbaţii pot fi atât în interiorul unităţii consumatoare, cât şi în exteriorul ei. În zilele noastre, toate receptoarele electrice, cu excepţia doar a lămpilor cu incandescenţă şi a aparatelor de încălzit echipate cu rezistenţe, produc armonici. Din nefericire, există o mare varietate de tipuri de astfel de aparate, care diferă între ele, atât din punctual de vedere al conţinutului de armonici pe care îl generează, cât şi al răspunsului lor într-un mediu de alimentare poluat cu armonici. Armonicile sunt definite ca fiind tensiuni sau curenţi ale căror frecvenţe sunt un multiplu întreg al frecvenţei fundamentale. Pentru sistemele de alimentare a căror frecvenţă de lucru (fundamentală) este de 50 Hz, frecvenţele armonicilor sunt 100 Hz, 150 Hz, 200 Hz, 250 Hz, etc. Similar, pentru sistemele de alimentare a căror frecvenţă de lucru (fundamentală) este de 60 Hz, frecvenţele armonicilor sunt 120 Hz, 180 Hz, 240 Hz, 300 Hz, etc. Uzual, armonicile sunt definite prin ordinul lor, care reprezintă multiplul fundamentalei la care aceasta se raportează. De exemplu, armonica a cărei frecvenţă este de 150 Hz este cunoscută ca fiind armonica a 3-a. În acest caz, unei perioade a fundamentalei, îi corespund trei perioade ale armonicii. Dacă multiplul întreg al frecvenţei fundamentale este impar, armonicile se numesc de ordin impar, în timp ce dacă multiplul întreg al frecvenţei fundamentale este par, armonicile se numesc de ordin par. Este important de menţionat faptul că majoritatea curenţilor armonici întâlniţi în reţelele de alimentare cu energie electrică sunt de ordin impar (armonica a treia, a 5-a, a 7-a, etc.). De asemenea, trebuie subliniat faptul că marea majoritate a surselor de armonici sunt, în acelaşi timp, şi cele mai sensibile echipamente în ceea ce priveşte distorsiunile curentului şi/sau tensiunii. Armonicile de ordinul trei sunt definite ca fiind armonicile de ordin multiplu impar al armonicii de ordinul trei (a treia, a 9-a, a 15-a, a 21-a, etc.). Acestea prezintă un interes cu totul special, deoarece ele sunt armonici de succesiune omopolară (de secvenţă zero), spre deosebire de fundamentală, care este de succesiune directă. Consecinţa directă a acestui aspect caracteristic este aceea că, în sistemele trifazate prevăzute cu conductor neutru, amplitudinile curenţilor armonici din faze se adună în conductorul neutru, chiar dacă respectivii curenţi alcătuiesc un sistem simetric. Aceasta poate conduce, uneori, la apariţia unor curenţi de valori foarte mari în conductorul neutru, şi, în situaţiile în care acesta nu este dimensionat corespunzător el se poate supraîncălzi, putând apare riscul de incendiu. Curenţii armonici de ordinul trei circulă, de asemenea în înfăşurările secundare ale transformatoarelor de alimentare, determinând, de asemenea, supraîncălzirea acestora. Printre cele mai cunoscute surse de curenţi armonici de ordinul trei se numără sursele în comutaţie ale calculatoarelor şi echipamentelor electrocasnice precum şi balasturile electronice ale lămpilor fluorescente economice.

67

Armonicile de ordinul 5 şi 11 prezintă, de asemenea, un interes deosebit, deoarece, ambele sunt de succesiune inversă (secvenţă negativă). Aceasta înseamnă că, dacă se aplică unui motor trifazat o tensiune distorsionată care conţine armonici de ordinul 5 sau/şi 11, acestea vor tinde să dea naştere unor cupluri opuse ca sens cuplului motor, care vor tinde să rotească arborele în sens opus. Pentru a compensa aceste cupluri de sens contrar, motorul trebuie să absoarbă din reţea un curent fundamental mai mare, ceea ce conduce atât la supraîncălzirea motorului, cât şi la acţionarea protecţiilor la supracurent ale acestuia. Printre cele mai cunoscute echipamente generatoare de armonici de acest tip sunt echipamentele de acţionare în turaţie variabilă (convertizoarele de frecvenţă) pentru motoarelele asincrone. În funcţionare normală, armonicile produse de aceste echipamente au ordinele h date de următoarea ecuaţie [2.6]: h kq 1 (3-1)

în care:

k este un număr natural oarecare (k N );

q este numărul de pulsuri ale convertizorului. Astfel, de exemplu, pentru un convertizor cu 6 pulsuri, armonicile generate vor avea ordinele 5, 7, 11, 13, etc. De exemplu, echipamentele cu 6 pulsuri reprezintă o sursă majoră de armonici de ordinul 5, 7 şi 11. Ca rezultat al unei proiectări diferite faţă de echipamentele cu 6 pulsuri (care permite eliminarea armonicilor de ordinul 5 şi 7), cele cu 12 pulsuri generează doar armonici de ordinul 11 şi 13, fiind, însă, semnificativ mai scumpe. Din punct de vedere istoric, armonicile au început să îşi facă simţită prezenţa după anul 1981, an din care au apărut şi s-au extins cu rapiditate sursele de alimentare în comutaţie. Acest tip de sursă de alimentare este destinat alimentării echipamentelor electronice (televizoare, echipament de calcul, etc.), având ca principale avantaje

randamentul ridicat şi greutatea mult mai mică decât a surselor clasice cu transformator. Ca principiu de funcţionare, sursele de alimentare în comutaţie convertesc tensiunea de alimentare sinusoidală de 50 Hz într-un semnal de tip dreptunghi, trapez sau dinte de fierăstrău, de frecvenţă ridicată (tipic de până la 1 Mhz), ceea ce permite utilizarea unor transformatoare de mici dimensiuni şi de randament ridicat. Ulterior, tensiunea este redresată, filtrată şi stabilizată. O dată cu apariţia acestui tip de sursă de alimentare, a dispărut şi monopolul deţinut până atunci de receptoarele de tip liniar. Acest tip de receptor este caracterizat de faptul că, la alimentarea sa cu o tensiune de formă sinusoidală (figura 3.1..a), curentul

rezultat are, de asemenea, formă sinusoidală, putând fi nedefazat (figura 3.1.b) sau defazat (figura 3.1.c) în raport cu tensiunea [3.32]. Receptoarele neliniare modifică forma de undă pur sinusoidală a tensiunii aplicate, curentul având o formă de undă deformată (figura 3.1..d), unde este prezentată forma de undă tipică a curentului absorbit de către un calculator electronic.

Fig. 3.1. Forme de undă ale tensiunii de alimentare şi curentului pentru receptoare liniare şi neliniare

68

Marea majoritate a echipamentelor moderne produce armonici. Practic, orice aparat care conţine un modul ce converteşte energia electrică alternativă în energie electrică continuă şi invers, este considerat ca fiind un aparat care produce armonici. Cele mai răspândite echipamente de acest fel sunt calculatoarele electronice, sursele de alimentare neîntreruptibile, receptoarele de televiziune, etc. Cea mai importantă consecinţă a apariţiei armonicilor o constituie distorsionarea formei de undă sinusoidale a tensiunii de alimentare. O formă de undă simetrică este aceea pentru care porţiunea (zona) pozitivă este identică cu cea negativă. O formă de undă nesimetrică apare, fie atunci când, peste forma de undă simetrică se suprapune o componentă continuă, sau când, datorită impedanţei neliniare a consumatorului sau naturii speciale a proceselor fizice aferente consumatorului, porţiunea pozitivă este diferită cu cea negativă. 3.1.2 Generarea şi propagarea armonicilor Mecanismul de producere a curenţilor şi, respectiv, tensiunilor armonice poate fi exemplificat pe circuitul din figura 3.2. Atunci când un receptor neliniar absoarbe curent

dintr-o sursă de alimentare, acest curent trece prin toate impedanţele circuitului (ale sursei şi ale tuturor porţiunilor liniei de alimentare). Ca un rezultat al trecerii curentului electric prin aceste impedanţe, apar tensiuni (căderi de tensiune) armonice pentru fiecare armonică de curent, în parte. Aceste tensiuni se suprapun peste tensiunea de alimentare a sursei, determinând distorsionarea formei de undă sinusoidale a tensiunii de alimentare. Gradul de distorsiune depinde de amplitudinile tensiunilor armonice produse pentru fiecare armonică în parte, care, la rândul lor, depind

de impedanţele circuitului (ale sursei şi ale tuturor porţiunilor liniei de alimentare). În cazul în care impedanţa sursei de alimentare este scăzută, şi gradul de distorsiune al tensiunii va fi scăzut. Gradul de distorsiune poate căpăta dimensiuni importante dacă receptorul are un caracter neliniar pronunţat, dacă, din motive oarecare, impedanţa circuitului creşte şi/sau dacă, în circuit, apar condiţii de manifestare a fenomenului de rezonanţă. Ca o regulă generală, curenţii armonici se propagă prin reţelele de distribuţie din

zonele cu nivele de tensiuni mai scăzute către zonele cu nivele de tensiuni mai ridicate [3.2]. Curenţii parcurg o serie de elemente ale reţelei (care au impedanţe proprii diferite de zero), fapt care dă naştere unor tensiuni armonice, care se suprapun peste tensiunea fundamentală a reţelei. Acest fenomen de propagare poate fi

ilustrat cu ajutorul modelului simplificat al unei reţele de alimentare cu energie electrică (în care au fost neglijate impedanţele liniilor de transport) şi care este prezentat în figura 3.2.

Fig. 3.2 – Apariţia tensiunilor armonice ca efect al prezenţei curenţilor armonici

Fig. 3.3 – Schema electrică simplificată a unei reţele de alimentare cu energie electrică

69

În figura 3.3, curentul JThI reprezintă perturbaţia armonică produsă de către toţi

consumatorii conectaţi la reţeaua de JT. Acest curent rezultă ca o sumă vectorială a tuturor curenţilor armonici emişi de către fiecare consumatorii de JT, cuantificând, astfel, influenţa consumatorului global de JT.

Similar, curentul MVhI reprezintă perturbaţia armonică produsă de către toţi

consumatorii alimentaţi de către un transformator IT / MT. Curentul MVhI rezultă ca o

sumă vectorială a tuturor curenţilor armonici emişi de către fiecare consumator conectat în reţeaua de MT sau de către o reţea de JT alimentată din reţeaua de MT. Acest curent ia în considerare atenuarea rezultată prin alimentarea unora dintre consumatori şi de posibilele fenomene de rezonanţă datorate bateriilor de condensatoare de compensare a factorului de putere montate în substaţii.

Tensiunea HVhV reprezintă perturbaţia armonică transmisă de reţeaua de IT reţelei

de distribuţie de IT. Astfel din figura 3.3, rezultă că tensiunea armonică evidenţiată într-un punct oarecare al unei reţele de JT este compusă din:

căderea de tensiune determinată de trecerea curentului JThI prin impedanţa

MV / LVZ a transformatorului care alimentează reţeaua de JT;

căderea de tensiune determinată de trecerea curentului MVhI prin impedanţa

HV / MVZ a transformatorului care alimentează reţeaua de MT şi prin impedanţa HVZ

aflată în amonte;

tensiunea produsă de reţeaua de IT. Într-o estimare mai riguroasă, vor trebui luate în calcul şi căderile de tensiune determinate de trecerea curenţilor armonici prin liniile de alimentare, în special în reţelele de JT. Este necesar să se sublinieze faptul că prezenţa unor consumatori perturbatori de JT determină efecte armonice în propria reţea de alimentare de JT, nu numai datorită căderilor de tensiune din impedanţele reţelei de JT considerate, ci şi datorită căderilor de tensiune din impedanţele reţelelor de MT şi IT prin care reţeaua de JT se alimentează. Dacă perturbaţiile tranzitorii pot fi eliminate prin utilizarea descărcătoarelor de supratensiune, prin pornirea motoarelor în tensiune redusă sau prin încărcarea secvenţială a reţelei, perturbaţiile continue nu pot fi eliminate cu metodele mai sus menţionate, necesitând, de cele mai multe ori, utilizarea filtrelor armonice. De regulă, pot fi instalate baterii de condensatoare de compensare a factorului de putere cu rol de filtru armonic, ceea ce conferă o dublă funcţionalitate, şi anume, atât cea de compensare a factorului de putere, cât şi cea de filtrare armonică. Sunt bine cunoscute efectele benefice ale prevederii de condensatoare în sistemele de alimentare cu energie electrică, şi anume creşterea (îmbunătăţirea) factorului de putere, scăderea cererii de energie reactivă (cu consecinţe directe asupra costurilor de exploatare), diminuarea fluctuaţiilor de tensiune, descărcarea transformatorului de alimentare, etc. Ceea ce este mai puţin cunoscut este faptul că prevederea de condensatoare în sistemele de alimentare poluate armonic conduce, de cele mai multe ori la efecte total nedorite. Condensatoarele pot amplifica anumite frecvenţe, în situaţia apariţiei rezonanţei paralel între bateria de condensatoare şi sursă, la o frecvenţă generată de echipamentul poluant cu armonici. Rezultatul se constituie în valori excesive ale curentului prin bateria de condensatoare, arderea siguranţelor fuzibile sau declanşarea

70

disjunctoarelor sau a protecţiilor de curent pe circuitul condensatoarelor şi distorsionarea excesivă a formei de undă a tensiunii pe barele sistemului de alimentare. De menţionat este faptul că, înseşi condensatoarele nu generează armonici, dar le pot amplifica, în anumite situaţii favorizante create în sistem. Din acest motiv, în condiţii de poluare armonică a reţelei, trebuie efectuată o analiză completă a sistemului, pentru a putea face o dimensionare corectă şi o alegere corespunzătoare a condensatoarelor de îmbunătăţire a factorului de putere şi/sau a echipamentului de filtrare necesar. Oricare ar fi sursa perturbaţiilor, efectele lor trebuie eliminate sau, măcar, minimizate. Dacă nu se procedează în acest fel, rezultatele se vor materializa în creşterea timpilor de oprire a producţiei, diminuarea cantităţii de marfă produse, creşterea costurilor de întreţinere sau înlocuirea echipamentelor ieşite prematur din funcţiune. 3.2 Tipuri de echipamente care generează armonici Curenţi de sarcină armonici şi, implicit, regimurile deformante, sunt generate de către toţi consumatorii neliniari. Aceştia sunt, practic, caracterizaţi de neliniaritatea caracteristicii (dependenţei) dintre curentul absorbit şi tensiunea aplicată, relaţie cunoscută sub numele de legea conducţiei electrice (legea lui Ohm), exprimată prin intermediul relaţiei:

U

IZ

(3-2)

în care I reprezintă valoarea efectivă (adevărată) a curentului prin receptorul neliniar (vezi relaţia 4-21), U reprezintă valoarea efectivă (adevărată) a tensiunii de alimentare (vezi relaţia 4-18) iar Z reprezintă valoarea impedanţei (neconstante) a receptorului. Aceasta semnifică faptul că, din diferite motive, valoarea impedanţei receptorului depinde de valoarea intensităţii curentului care îl străbate. În general, cele mai cunoscute receptoare de acest fel sunt cele care înglobează elemente semiconductoare de putere, cele care conţin circuite magnetice care funcţionează în zona de saturaţie sau echipamente care utilizează în funcţionare arcul electric. Astfel, printre cele mai cunoscute echipamente de acest fel se numără [3.31] sursele de alimentare în comutaţie (SMPS), echipamentele care conţin electronică de putere - mutatoarele (redresoarele, invertoarele, convertizoarele), echipamentele de birotică (calculatoare, faxuri, copiatoare, imprimante, scannere, etc.), echipamentele video şi TV, încărcătoarele de acumulatori, lămpile fluorescente cu balast electromagnetic şi cele cu balast electronic (economice), regulatoarele de turaţie pentru motoare de curent continuu şi alternativ, sursele neîntreruptibile de alimentare (UPS - Uninterruptible Power Supply), echipamentele de sudare cu arc electric, cuptoarele cu arc electric, echipamentele cu comandă numerică (CNC - Computerized Numeric Control), echipamentele medicale moderne de diagnosticare (echipamente radiologice cu raze X şi RMN - rezonanţă magnetică nucleară, tomografe, etc.), echipamentele de dezinfecţie cu ultraviolete, aparatele ce conţin circuite magnetice care lucrează în regim saturat şi liniile electrice aeriene de înaltă tensiune (datorită fenomenului Corona). Consumatorii neliniari generează în sistemele de alimentare la care sunt racordate distorsiuni ale curentului şi, într-o mai mică măsură, a tensiunii. Sursele de distorsiuni (de curenţi armonici) pot fi împărţite după mai multe criterii. Conform unuia dintre acestea, care ţine seama de locul din sistem în care se află sursa de distorsiuni, se disting trei categorii de surse de perturbaţii armonice, şi anume:

surse aflate la locul de producere a energiei electrice (generatoarele sincrone);

71

elemente componente ale sistemului de alimentare cu energie electrică, cum sunt transformatoarele, compensatoarele statice de energie reactivă (SVC - Static VAr Compensator), etc.;

diverşii consumatori electrici ai beneficiarior. Din punctul de vedere al nivelului de tensiune la care se găsesc elementele menţionate mai sus, se poate aprecia că, în general, consumatori electrici ai beneficiarior sunt conectaţi la tensiuni medii şi, preponderent, joase, elementele componente ale sistemului de alimentare cu energie electrică se regăsesc la toate nivelele de tensiune (înaltă, medie şi joasă) iar echipamentele de producere a energiei electrice sunt la nivelele de medie şi joasă tensiune. Grupul dominant al surselor de perturbaţi se găseşte în categoria consumatorilor electrici ai beneficiarior. În unele locuri, însă, transformatoarele, compensatoarele statice de energie reactivă, cuptoarele cu arc electric şi generatoarele eoliene reprezintă surse de perturbaţi dominante. Sursele aflate la locul de producere a energiei electrice (în general generatoarele sincrone) contribuie, la rândul lor, la distorsionarea formei de undă a tensiunii la nivelele superioare de transport al energiei electrice. Un alt criteriu de clasificare ţine seama de posibilitatea de identificare a surselor, împărţindu-le în:

Sursele de curenţi armonici identificabile, în care se încadrează convertoarele electronice de putere şi cuptoarele cu arc electric deoarece, în marea majoritate a cazurilor, furnizorul de energie electrică poate identifica individual flecare echipament de acest tip instalat de consumatorii industriali. Furnizorul cunoaşte punctul de delimitare al acestor consumatori şi poate depista curenţii armonici injectaţi în sistem de fiecare consumator.

Sursele de curenţi armonici neidentificabile, care cuprinde sursele de comutaţie existente în echipamentele electrocasnice şi în sistemele de calcul, precum şi balasturile electronice, instalate la un număr foarte mare de consumatori alimentaţi din aceeaşi reţea.

Conform altor teorii [1.50], [3.3], [3.10], [3.21], dispozitivele deformante se împart în doua categorii:

Dispozitivele deformante din prima categorie sunt acelea care produc în mod direct tensiuni sau curenţi nesinusoidali. Din aceasta categorie fac parte, în primul rând, generatoarele sincrone, ale căror tensiuni electromotoare nu sunt perfect sinusoidale, deoarece, din punct de vedere constructiv, nu se poate realiza o înfăşurare căreia să-i corespundă o repartiţie perfect sinusoidală a inducţiei magnetice în întrefier. În al doilea rând, fac parte dispozitivele neliniare care, chiar alimentate cu tensiuni perfect sinusoidale, distorsionează forma de undă a curenţilor şi dau naştere unor căderi de tensiuni nesinusoidale în impedanţele reţelei. Cele mai cunoscute exemple de elemente neliniare de acest tip sunt: bobinele cu miez de fier, transformatoarele electrice, redresoarele şi mutatoarele (dispozitive electronice de putere), cuptoarele cu arc electric, liniile electrice aeriene de înaltă tensiune, a căror funcţionare este însoţită de apariţia efectului Corona, etc.

Dispozitivele deformante din categoria a doua sunt, în general, receptoarele liniare reactive care, alimentate fiind cu tensiuni sau curenţi nesinusoidali, determină curenţi, respectiv tensiuni nesinusoidale care au grade de deformare (coeficienţi de distorsiune) diferite, în raport cu cele ale”mărimilor de intrare”. Astfel, un receptor liniar capacitiv alimentat la borne cu o tensiune nesinusoidală, determină apariţia în circuit a unui curent nesinusoidal cu un grad de deformare mai pronunţat, în timp ce un receptor liniar inductiv parcurs

72

de un curent electric nesinusoidal determină la borne o tensiune nesinusoidală, cu un grad de deformare mai pronunţat.

Se numeşte consumator deformant acel consumator care conţine elemente care generează regim deformant în PCC. Pe de altă parte, sursele de regim deformant pot fi împărţite în surse de curenţi nesinusoidali şi surse de tensiuni nesinusoidale [3.21]. Sursele de curenţi nesinusoidali sunt receptoarele care, în regim sinusoidal de tensiuni la borne, absorb curenţi nesinusoidali (armonici). Din această categorie fac parte:

Cuptoarele cu arc electric;

Mutatoarele (redresoarele, invertoarele, convertizoarele);

Instalaţiile de sudare cu arc electric;

Lămpile cu descărcări în gaze şi vapori metalici;

Liniile electrice aeriene de înaltă tensiune, a căror funcţionare este însoţită de fenomenul Corona;

Defectele (scurtcircuitele) însoţite de arc electric. Sursele de tensiuni nesinusoidale, sunt, printre altele, generatoarele de tensiuni electromotoare alternative şi receptoarele având circuite feromagnetice (datorită neliniarităţii curbelor de magnetizare şi fenomenului de saturaţie magnetică). Din aceasta categorie fac parte:

Bobinele şi transformatoarele electrice cu care funcţionează în regim saturat;

Maşinile sincrone (generatoarele şi motoarele sincrone);

Motoarele asincrone. Regimul deformant apare ,de asemenea, ca efect secundar al proceselor de compensare a puterii reactive la unii consumatori industriali. De regulă, compensarea puterii reactive se face cu baterii de condensatoare fixe, sau reglabile continuu sau în trepte; acestea din urmă influenţează forma de undă a tensiunii şi curentului, deformarea lor accentuându-se o dată cu tendinţa de supracompensare [3.5]. De aceea, sistemele de compensare actuale sunt sisteme complexe, care au în vedere îmbunătăţirea globală a factorului de putere, compensarea globală a puterii reactive şi a regimului deformant. 3.2.1 Generatoarele producătorilor de energie electrică Una dintre principalele categorii de surse de tensiuni armonice o reprezintă generatoarele producătorilor de energie electrică, care nu pot genera, prin construcţia lor, o curbă perfect sinusoidală, ci doar una practic sinusoidală. Aceste generatoare produc armonici de ordinul 5 datorită atât distorsiunilor fluxului magnetic care apar în vecinătatea crestăturilor statorice cât şi distribuţiei nesinusoidale a fluxului magnetic din zona întrefierului. Totuşi, conţinutul în armonici al curbelor tensiunilor electromotoare produse de generatoarele modeme se încadrează în limite care justifică ipoteza unor sisteme de tensiuni practic sinusoidale, în sistemele de alimentare cu energie electrică. Pentru generatoarele de putere mică, instalate ca surse de rezervă la consumatorii industriali, factorul de distorsiune al tensiunii poate fi mai ridicat; astfel, generatoarele auxiliare cu puteri aparente cuprinse între 10 şi 5000 kVA pot să prezinte

73

un factor de distorsiune al tensiunii de aproximativ 4%, cu un nivel de 2 – 3 % al armonicii de rang 5. 3.2.2 Sursele în comutaţie (SMPS) Majoritatea echipamentelor electronice moderne utilizează surse de alimentare în comutaţie [3.4]. Acestea diferă de sursele model mai vechi, coborârea tensiunii printr-un transformator clasic şi redresarea tensiunii alternative fiind înlocuite cu o redresare directă comandată a tensiunii reţelei de alimentare, necesară pentru încărcarea unei baterii de condensatoare, din care curentul continuu pentru sarcină se obţine la bornele de ieşire, printr-o metodă adecvată, la parametrii de tensiune şi curent ceruţi de către consumator. Avantajul major al surselor de alimentare în comutaţie este acela că dimensiunile, costul şi greutatea acestora sunt semnificativ reduse în comparaţie cu sursele clasice cu transformator. Dezavantajul major al acestui tip de sursă este acela că în loc de a absorbi continuu curent din reţeaua de alimentare, sursa absoarbe discontinuu pulsuri de curent, care conţin o mare cantitate de armonici de ordin trei şi superior, precum şi componente de înaltă frecvenţă. De regulă, intrarea sursei este prevăzută cu un filtru pentru punerea la masă a componentelor de înaltă frecvenţă, care ar putea fi trimise spre linia de alimentare, care, însă, nu împiedică, însă, armonicile să pătrundă în reţea. Formele de undă ale tensiunii şi curentului, valorile puterilor activă, reactivă

şi aparentă, ale factorului de putere şi spectrul armonic determinate pentru un astfel de consumator cum este un calculator personal (de fapt sursa de alimentare în comutaţie a acestuia) sunt prezentate în figura 3.4. Se observă forma de undă puternic distorsionată a curentului, precum şi conţinutul foarte bogat în armonici (armonica a treia având amplitudinea aproape egală cu cea a fundamentalei şi reprezentând 57,7 % din

Fig. 3.4 - Formele de undă ale tensiunii şi curentului, valorile puterilor activă, reactivă şi aparentă, ale factorului de putere şi spectrul armonic determinate pentru un calculator

personal (PC) fără monitor

Fig. 3.5 - Formele de undă ale tensiunii şi curentului, valorile puterilor activă, reactivă şi aparentă, ale factorului de putere şi spectrul armonic determinate pentru un laptop

74

valoarea efectivă adevărată a curentului). În figura 3.5 sunt prezentate formele de undă ale

tensiunii şi curentului, valorile puterilor activă, reactivă şi aparentă, ale factorului de putere şi

spectrul armonic determinate pentru un un laptop. 3.2.3 Lămpile fluorescente cu balast electromagnetic şi electronic (economice)

Lămpile fluorescente cu balast electronic sunt cu puţin mai eficiente decât cele echipate cu cele mai bune balasturi magnetice. De fapt, cea mai mare parte a câştigului poate fi mai degrabă atribuită eficienţei sporite a lămpii alimentate în înaltă frecvenţă (comparativ cu alimentarea în frecvenţa de 50 Hz a reţelei), decât balastului electronic propriu-zis (figura 3.6). Avantajul lor principal este că nivelul de iluminare poate fi menţinut pe o durată de viaţă mai mare prin controlul curenţilor din lampă. Aceste tipuri de lămpi prezintă, însă, două mari

dezavantaje. Primul dintre ele (care se manifestă pregnant mai ales în instalaţii mari), este acela că invertoarele acestor lămpi generează atât armonici în sursa de alimentare, cât şi zgomot electric. Cel de-al doilea dezavantaj constă în faptul că metoda controlului curenţilor din lampă conduce la o micşorare (uneori foarte importantă) a randamentului global al lămpii şi al factorului de putere. Au apărut, însă, şi modele cu factor de putere ameliorat (denumite „lămpi cu corector de factor de putere”

Fig. 3.7 - Formele de undă ale tensiunii şi curentului, valorile puterilor activă, reactivă şi aparentă, ale factorului de putere şi spectrul armonic determinate pentru o lampă fluorescentă compactă de 11 W fără circuit de compensare a factorului de putere

Fig. 3.8 - Formele de undă ale tensiunii şi curentului, valorile puterilor activă, reactivă şi aparentă, ale factorului de putere şi spectrul armonic determinate pentru un corp de

iluminat Shell 1 (Fosnova – Italia) echipat cu două lămpi fluorescente compacte de 18 W

Fig. 3.6 – Dependenţa fluxului luminos al lămpilor fluorescente de frecvenţă

75

cu probleme reduse legate de armonici, dar cu un preţ de cost sensibil mărit. În general, însă, lămpile de puteri mici nu sunt prevăzute cu circuite de corecţie. În figura 3.7 sunt prezentate formele de undă ale tensiunii şi curentului, valorile puterilor activă, reactivă şi aparentă, ale factorului de putere şi spectrul armonic determinate pentru o lampă fluorescentă compactă de 11 W fără circuit de compensare a factorului de putere. Balasturile magnetice generează, de asemenea, armonici, dar nivelele sunt, în general, mai scăzute decât cele produse de către dispozitivele electronice. Adeseori, acestea sunt prevăzute cu circuite de compensare a factorului de putere (uneori doar un simplu condensator), care acţionează ca un şunt de impedanţă scăzută pentru curenţii armonici. Astfel, nivelul distorsiunilor care se propagă în sistemul de distribuţie este mult mai scăzut. În figura 3.8 sunt prezentate formele de undă ale tensiunii şi curentului, valorile puterilor activă, reactivă şi aparentă, ale factorului de putere şi spectrul armonic determinate pentru un corp de iluminat echipat cu două lămpi fluorescente compacte de 18 W, iar în figura 3.9 sunt prezentate formele de undă ale tensiunii şi curentului, valorile puterilor activă, reactivă şi aparentă, ale factorului de putere şi spectrul armonic determinate pentru o lampă fluorescentă de 58 W cu balast electronic şi circuit de compensare a factorului de putere

3.2.4 Regulatoarele de turaţie pentru motoare de curent continuu şi alternativ Regulatoarele de turaţie pentru motoare de curent continuu sunt echipate cu o punte redresoare trifazată, care mai este utilizată în reţelele de transmisiuni în curent continuu şi în sursele neîntreruptibile de alimentare. Aceasta mai este cunoscută ca şi punte redresoare cu şase pulsuri, deoarece la ieşirea de curent continuu există şase pulsuri pe perioadă (un puls pe semiperioadă pentru o fază). Pentru reducerea costurilor, există tendinţa de a se utiliza motoare de inductanţă scăzută, dar aceasta se dovedeşte a fi o falsă economie; nivelul ridicat al armonicilor fiind mult mai dificil de stăpânit, filtrele pentru armonici, adesea proiectate pentru cazul teoretic, putându-se deteriora. Regulatoarele de turaţie pentru motoare de curent alternativ utilizează convertoare similare pentru a produce curent continuu, urmate de un invertor ce produce curent alternativ de frecvenţa necesară. Formele de undă ale tensiunii şi curentului, valorile puterilor

activă, reactivă şi aparentă, ale factorului de putere şi spectrul armonic determinate pentru o pompă Wilo (model Stratos D) cu turaţie variabilă comandată printr-un convertizor de frecvenţă

sunt prezentate în figura 3.10. Astfel, în figura 3.10 a pompa funcţionează la o turaţie egală cu 20 % din turaţia nominală iar în figura 3.10 b pompa funcţionează la turaţia nominală.

Fig. 3.9 - Formele de undă ale tensiunii şi curentului, valorile puterilor activă, reactivă şi aparentă, ale factorului de putere şi spectrul armonic determinate pentru lampă

fluorescentă de 58 W cu balast electronic şi circuit de compensare a factorului de putere

76

3.2.5 Surse neîntreruptibile de alimentare (UPS) [3.33]

UPS-urile sunt utilizate, în prezent, ca surse de rezervă pentru sarcinile critice al căror timp de transfer trebuie să fie foarte scurt sau zero. Sistemele statice UPS sunt frecvent folosite în gama de la 200 VA la 50 kVA (monofazat) şi de la 10 kVA la 4000 kVA (trifazat). Pe lângă asigurarea unei surse de rezervă, în eventualitatea unei întreruperi în alimentare, UPS-urile sunt folosite şi pentru îmbunătăţirea locală a calităţii energiei electrice. Eficienţa UPS este foarte bună, având pierderi de

Fig. 3.10 - Formele de undă ale tensiunii şi curentului, valorile puterilor activă, reactivă şi aparentă, ale factorului de putere şi spectrul armonic determinate pentru o pompă

Wilo Stratos D cu turaţie variabilă comandată printr-un convertizor de frecvenţă a) - pompa funcţionează la o turaţie egală cu 20 % din turaţia nominală b) - pompa funcţionează la turaţia nominală.

Fig. 3.11 – Schemele bloc de funcţionare în modurile a)“on line“) şi b)“off line“) ale unui UPS pasiv

77

energie între 3 % şi 10 % care depind de numărul convertoarelor utilizate şi de tipul bateriei secundare. Orice UPS este alcătuit din următoarele părţi funcţionale principale:

un redresor care are rolul de a transforma energia electrică alternativă în energie electrică continuă necesară încărcării bateriei de acumulatoare şi alimentării invertorului;

un set de acumulatoare (de regulă cu acid în construcţie etanşă) cu rol de stocare a energiei electrice continue. UPS-urile trifazate de mare putere utilizează, în mod complementar, şi stocarea energiei sub formă mecanică prin intermediul unui volant;

un invertor (convertor static) capabil să convertească energia electrică continuă în energie electrică alternativă stabilizată şi filtrată, necesară pentru alimentarea

consumatorilor;

un comutator (bypass) static cu rol de comutare a ieşirii UPS-ului de pe reţea pe invertor şi invers. În conformitate cu standardul IEC/EN 62040-3 [3.5], UPS-urile se clasifică în funcţie de tipul constructiv (de topologie) în trei categorii:

UPS-uri pasive (passive-standby);

UPS-uri interactive (line-interactive);

UPS-uri cu dublă conversie (double conversion).

UPS-urile pasive (passive-standby) au fost denumite anterior UPS-uri “off line”. Denumirea acestei topologii provine din faptul că sursa de tensiune stă "de veghe" şi

alimentează consumatorul din bateria de acumulatoare prin

Fig. 3.12 – Schemele bloc de funcţionare în modurile a1), a2) “on line“) şi b)“off line“) ale unui UPS interactiv

78

intermediul invertorului numai în situaţia căderii tensiunii reţelei. Aceste tipuri de UPS-uri au ca avantaje costul redus şi zgomotul redus în modul de funcţionare “on line”. Principalele dezavantaje constau în faptul că nu există izolare galvanică între reţea şi consumator, nu protejează consumatorii de perturbaţiile reţelei de alimentare, neputând elimina variaţiile de de tensiune şi de frecvenţă (de unde şi denumirea alernativă de UPS-uri dependente de tensiune şi frecvenţă VFD - Voltage and Frequency Dependent), precum şi în faptul că au un timp de comutare relativ mare (cca. 4 ms), care, uneori poate afecta consumatorii mai sensibili. Schema bloc a unui astfel de UPS pasiv în cele două moduri de funcţionare şi anume a) în prezenţa tensiunii reţelei (“on line“) şi b) în absenţa tensiunii reţelei (“off line“) este prezentată în figura 3.11. UPS-urile interactive (line-interactive) au în locul modulelor distincte de tip redresor, invertor, filtru de zgomote şi regulator de tensiune distincte conţin un bloc unic

redresor/invertor, care funcţionează în permanenţă (atâta timp cât există tensiune în reţea), alimentând sarcina") şi care este conectat în paralel cu sarcina. De asemenea, blocul redresor/invertor are rolul de a încărca bateria de acumulatoare. Blocul redresor/invertor este prevăzut, de asemenea, cu circuite de filtrare a zgomotelor şi de reglare a tensiunii de ieşire (de unde şi denumirea alernativă de UPS-uri independente de tensiune VI - Voltage Independent) . Principiul de funcţionare este, practice, identic cu cel al UPS-urilor pasive, asigurând, însă, o calitate mai bună a alimentării. în general, sunt dotate cu regulatoare automate de tensiune (AVR - automatic voltage regulator), care monitorizează tensiunea de intrare. Când aceasta iese dintr-un domeniu bine stabilit, regulatorul creşte sau scade tensiunea de ieşire a UPS-lui. Dacă tensiunea de alimentare scade sub nivelul acceptat

de regulator, sursa comută consumatorul pe acumulatoare, până la revenirea tensiunii de intrare în plaja acceptată. Aceste tipuri de UPS-uri au ca avantaje costul redus, zgomotul redus în modul de operare “on line“, faptul că ansamblul redresor/invertor este

Fig. 3.13 – Schemele bloc de funcţionare în modurile a1), a2) “on line“) şi b)“off line“) ale unui UPS cu dublă conversie

79

întotdeauna conectat la ieşire, alimentând în permanenţă consumatorul precum şi gradul de protecţie mai mare decât al UPS-urilor pasive. Mai trebuie menţionat, de asemenea, faptul că această configuraţie permite un răspuns mai rapid decât configuraţia de tip pasiv. Această topologie poate avea şi un bypass care poate transfera alimentarea sarcinii la sursa de bypass atunci când survine defectarea UPS-ului. Principalele dezavantaje ale acestui tip de UPS sunt lipsa de izolare galvanică a consumatorului faţă de reţea, lipsa posibilităţii de eliminare a variaţiilor frecvenţei de ieşire, protecţia redusă la şocuri de tensiune şi eficienţa slabă în cazul sarcinilor neliniare. Schema bloc a unui astfel de UPS interactiv în cele două moduri de funcţionare şi anume a) în prezenţa tensiunii reţelei (“on line“) şi b) în absenţa tensiunii reţelei (“off line“) este prezentată în figura 3.12. UPS-urile cu dublă conversie (double conversion) au invertorul conectat în serie, fiind plasat între reţeaua de alimentare şi ieşire, curentul care alimentează sarcina trecând permanent prin acesta. În funcţionare normală, sarcina este alimentată prin intermediul lanţului redresor - invertor care realizează o dublă conversie: curent alternativ - curent continuu (c.a. - c.c.) şi, respectiv, curent continuu - curent alternativ (c.c. - c.a.). Atunci când tensiunea reţelei iese din parametrii prescrişi sau dispare, UPS-ul trece în modul de funcţionare cu energie stocată alimentând în continuare sarcina de la baterie prin intermediul invertorului. Funcţionarea în acest mod continuă până când tensiunea reţelei revine în parametrii doriţi, moment în care UPS-ul revine în modul de funcţionare normală. În general, UPS-urile cu această topologie dispun de un bypass static (adesea numit şi comutator static). Acesta permite transferarea fără întrerupere a sarcinii pe o sursă de alimentare alternativă (de regulă tot reţeaua de alimentare); transferul efectuându-se în situaţii cum ar fi defectarea UPS-ului, apariţia fenomenelor tranzitorii în reţea, suprasarcini sau descărcarea bateriei de acumulatoare. Schema bloc a unui astfel de UPS cu dublă conversie în cele două moduri de funcţionare şi anume a1), a2) în prezenţa tensiunii reţelei (“on line“) şi b) în absenţa tensiunii reţelei (“off line“) este prezentată în figura 3.13. UPS-urile cu dublă conversie prezintă o serie de avantaje importante:

sarcina este protejată permanent de către invertor;

există separare galvanică a sarcinii de reţeaua de curent alternativ, ceea ce asigură protecţia la perturbaţii cum ar fi supratensiunile, zgomotele electrice sau şocurile;

funcţionează la variaţii importante ale tensiunii de intrare şi asigură o bună stabilizare a tensiunii de ieşire;

asigură o foarte stabilizare a frecvenţei de ieşire şi dă posibilitatea utilizării UPS-ul pe post de convertizor de frecvenţă;

timp de comutare este foarte mic (transferul sarcinii se face practic instantaneu). Datorită avantajelor legate de funcţionarea la variaţii importante ale tensiunii de intrare, precum şi datorită faptului că asigură o foarte stabilizare a frecvenţei de ieşire (înscriindu-se în prevederile standardului de compatibilitate electromagnetică EN 61000-2-2 [2.20]), acest tip de UPS-uri au primit denumirea alernativă de UPS-uri independente de tensiune şi frecvenţă (VFI - Voltage and Frequency Independent). Dezavantajul major al acestor tipuri de UPS îl constituie preţul ridicat. UPS-urile cu dublă conversie sunt utilizate în cele mai multe situaţii în care este nevoie să se alimenteze consumatorii sensibili sau cu putere mare (peste 10 kVA). UPS-urile (indiferent de tipul sau mărimea lor) îşi bazează funcţionarea pe dispozitive denumite generic electronică de putere. În absenţa unor măsuri de atenuare adecvate, acest tip de echipamente se numără printre cele mai cunoscute surse de

80

poluare electromagnetică. În figurile 3.14 şi 3.15 sunt prezentate rezultatele măsurărilor efectuate pe două UPS-uri de puteri diferite, care atestă puternica deformare a curentului precum şi conţinutul foarte bogat în armonici al acestuia.

3.2.6 Aparate ce conţin circuite magnetice Echipamentele care conţin circuit magnetice (electromagneţi, relee de curent alternativ, balasturi electromagnetice, transformatoare, autotransformatoare, motoare cu inducţie, etc.) prezintă o dependenţă neliniară între curentul de magnetizare şi inducţie. Pentru materialele feromagnetice, permeabilitatea magnetică, (egală cu raportul dintre inducţia magnetică B şi intensitatea câmpului magnetic H) nu este o constantă, ci variază în funcţie de intensitatea câmpului magnetic. fiind descrisă de curba de histerezis a materialului magnetic respectiv. Ca o consecinţă, impedanţa acestora nu mai este o constantă, ci variază o dată cu variaţia intensităţii curentului (care determină modificarea intensităţii câmpului magnetic şi, implicit, modificarea permeabilităţii magnetice a materialului feromagnetic al echipamentului respectiv. Din acest motiv, dependenţa dintre tensiunea aplicată echipamentului şi curentul care îl străbate nu mai este liniară, ceea ce face ca forma de undă a curentului printr-un atfel de echipament care conţine un circuit magnetic nu mai este sinusoidală, fiind deformată. Transformatoarele introduc, de regulă, o cantitate mică de distorsiuni de tensiune în forma semnalului lor de ieşire (de aproximativ 1.5 %).

Fig. 3.15 - Formele de undă ale tensiunii şi curentului, valorile puterilor activă, reactivă şi aparentă, ale factorului de putere şi spectrul armonic determinate pentru un UPS 30

kVA (produs MGE UPS SYSTEMS) care deserveşte o parte din echipamentele informatice de la BRD – Turnul din Piaţa Victoriei

Fig. 3.15 - Formele de undă ale tensiunii şi curentului, valorile puterilor activă, reactivă şi aparentă, ale factorului de putere şi spectrul armonic determinate pentru un UPS

1400 VA având ca sarcină un ansamblu calculator (desktop) + monitor CRT

81

Formele de undă ale tensiunii şi curentului, valorile puterilor activă, reactivă şi aparentă, ale factorului de putere şi spectrul armonic determinate pentru un autotransformator monofazat sunt prezentate în figura 3.16. 3.2.7 Echipamentele de sudare în arc electric Datele experimentale ca şi studiile analitice au pus în evidenţă faptul că instalaţiile de sudare cu tensiune continuă ca şi instalaţiile cu redresare trifazată determină armonici în reţeaua electrică de alimentare, cele de rang 5, 7 şi 11 având o pondere deosebita. Amplitudinea acestor armonici poate fi determinată de relaţia:

n c a

n

n

S k tI

3 U n

(3-3)

în care:

In este valoarea efectivă a armonicii de ordinul n a curentului electric,

kc este un coeficient de cerere,

ta este valoarea relativă a duratei active a procesului de lucru (raportată la durata ciclului de lucru),

n este ordinul armonicii (n = 5, 7, 11, etc.),

SN - puterea aparentă nominală a instalaţiei,

UN - tensiunea nominală de alimentare a instalaţiei. Datorită caracterului neliniar al arcului electric, instalaţiile de sudare în curent alternativ determină, în special, apariţia armonicilor de rang 5 şi 7, amplitudinea acestora fiind posibil a fi determinată cu ajutorul relaţiei:

i c a

n,ef 2

N

S k tI

n U

(3-4)

În relaţia (3-4), s-a notat cu Si puterea aparentă instalată şi s-a avut în vedere faptul ca instalaţiile de sudare la tensiune alternativă sunt alimentate între două linii ale reţelei electrice. 3.3 Efectele regimului deformant - Probleme provocate de armonici Prezenţa armonicilor în reţelele de alimentare cu energie electrică conduce la creşterea pierderilor de energie, la probleme de interferenţă în sistemele de comunicaţii

Fig. 3.16 - Formele de undă ale tensiunii şi curentului, valorile puterilor activă, reactivă şi aparentă, ale factorului de putere şi spectrul armonic determinate pentru un

autotransformator monofazat

82

şi, de multe ori, în funcţionarea echipamentelor electronice care, au devenit din ce în ce mai sensibile la perturbaţii, în măsura în care ele înglobează sisteme de comandă bazate pe microprocesoare, care funcţionează la nivele energetice extrem de scăzute. Efectele defavorabile ale regimul deformant asupra funcţionării receptoarelor şi sistemului de alimentare, în ansamblu, sunt descrise în normativul PE 143-94 [1.28], după cum urmează [3.1]:

Afectarea funcţionării echipamentelor electronice cuplate la tensiunea reţelei, inclusiv a echipamentelor de comandă ale redresoarelor;

Introducerea de erori suplimentare pentru aparatele de măsură, perturbarea funcţionării releelor de protecţie şi a receptoarelor de comandă centralizate. Erorile de măsurare ale wattmetrelor (max. 3 %) şi ale contoarelor cu inducţie (max. 14 %) se datorează micşorării valorii factorului de putere în regim deformant;

Solicitarea peste limitele admise a bateriilor de condensatoare de compensare a factorului de putere;

Pierderi suplimentare de energie activă în reţelele electrice, datorită măririi puterii aparente cu termenul corespunzător puteri deformante D (vezi paragraful 4.9.2).

Suplimentar, mai pot fi evidenţiate următoarele efecte generale ale regimului deformant [3.10], [3.15], [3.19], [3.22]:

Creşterea puterii aparente în raport cu puterea aparentă corespunzătoare sinusoidelor fundamentale ale tensiunii şi curentului;

Creşterea corespunzătoare a pierderilor de putere activă din reţea;

“Creşterea” impedanţei aparente a elementelor din reţea, definită ca raportul valorilor efective a tensiunii şi curentului la bornele acestora;

Producerea fenomenelor de rezonanţă în regim deformant, cauzate în special de armonicile superioare.

Există câteva arii de probleme comune, provocate de armonici. Printre cele mai des întâlnite efecte ale armonicilor asupra instalaţiilor electrice şi consumatorilor alimentaţi din acestea se numără [2.23], [3.31]:

Distorsionarea formei de undă sinusoidale a tensiunii de alimentare;

Zgomot la trecerea prin zero;

Supraîncărcarea căilor de curent, în special a conductoarelor neutre datorită creşterii valorii efective a curentului, ca urmare a contribuţiei armonicilor de curent (figura 3.17 [3.25]);

Pierderi mărite de putere activă prin efect Joule – Lenz în cablurile de transmisie, în transformatoare şi în maşinile cu inducţie urmată de supraîncălzirea acestora;

Producerea de către armonicile de succesiune inversă (de ordinul 5, 11, 17, etc.) a unor cupluri de semn contrar în motoarele cu inducţie trifazate;

Oscilaţii mecanice ale maşinilor cu inducţie (sincrone si asincrone);

Pierderi suplimentare prin efect pelicular;

Solicitări suplimentare ale izolaţiei electrice, ca urmare a supratensiunilor (dato-rate, în special rezonanţei pe frecvenţele armonicilor superioare) urmată de străpungerea izolaţiilor cablurilor si a mufelor acestora;

Creşterea pierderilor de putere în elementele de reţea (în conductoare, în materialele magnetice şi în dielectric);

Funcţionarea eronată a aparatelor de măsură şi protecţie;

83

Suprasolicitarea condensatoarelor de compensare a factorului de putere şi posibila defectare a acestora;

Apariţia fenomenelor de interferenţă cu sistemele de conducere cu microprocesor şi de protecţie cu relee;

Apariţia fenomenelor de interferenţă cu semnalele de telecomunicaţii;

Apariţia fenomenelor de interferenţă cu dispozitivele cu comanda prin tiristoare;

Deranjamente în funcţionarea întreruptoarelor electromagnetice (declanşarea accidentală a acestora);

Atât efectele cât şi soluţiile de remediere a problemelor cauzate de apariţia

armonicilor diferă de la o categorie la cealaltă, fiind necesară abordarea, analizarea şi soluţionarea independentă a problemelor. Astfel, măsurile de reducere a efectelor armonicilor în instalaţiile electrice şi asupra consumatorilor alimentaţi din acestea nu vor conduce, implicit, şi la atenuarea efectelor armonicilor asupra sursei de alimentare, şi reciproc. Curenţii armonici

provoacă probleme atât în sistemul de alimentare cu energie electrică, cât şi în instalaţie. Efectele şi soluţiile de atenuare a efectelor acestora sunt foarte diferite şi trebuie abordate separat; măsurile necesare pentru controlarea efectelor armonicilor din cadrul instalaţiei nu vor reduce distorsiunile introduse în reţeaua de alimentare şi reciproc. Problemele create de armonici (sau cu alte cuvinte de regimul deformant) pot fi clasificate după mai multe criterii. Unul dintre acestea, care ţine seama de intervalul de timp dintre momentul apariţiei regimului deformant şi momentul apariţiei efectelor acestuia asupra consumatorilor sau reţelei însăşi, permite împărţirea efectelor în două mari categorii:

Efecte instantanee, care sunt asociate, de regulă, cu interferenţe, cu funcţionarea defectuoasă sau cu degradarea performanţelor a aparatelor şi echipamentelor;

Efecte pe termen lung,care sunt de natură termică, şi care sunt asociate, de regulă, cu pierderi suplimentare de energie şi supraîncălzire, cu consecinţe directe asupra diminuării duratei de viaţă a condensatoarelor, transformatoarelor motoarelor, motoarelor şi generatoarelor electrice.

Conform unui alt criteriu, care ţine seama de locul în care se manifestă efectele respective, problemele cauzate de apariţia armonicilor pot fi grupate în două mari categorii:

Efecte ale armonicilor asupra instalaţiilor electrice şi consumatorilor alimentaţi din acestea;

Efecte ale armonicilor asupra sursei de alimentare cu energie electrică.

Fig. 3.17 – Variaţia valorii efective adevărate a curentului Irms şi a pierderilor Joule - Lenz în funcţie

de coeficientul total de distorsiune THD

84

3.3.1 Probleme armonice în cadrul instalaţiei de alimentare cu energie electrică

Poluarea armonică este cauza unui mare număr de probleme din instalaţiile electrice moderne. Un prim efect este acela al creşterii valorii efective şi a valorii de vârf a tensiunii precum şi distorsionarea formei de undă a acesteia. Acest fapt este ilustrat sugestiv în figura 3.18, în care este prezentată creşterea acestor valori, pe măsura creşterii conţinutului armonic al semnalului [2.23]. În ceea ce priveşte impactul armonicilor asupra sursei de alimentare, reglementările internaţionale în domeniu limitează sever aspectele de interferenţă dintre consumatori şi reţeaua publică de alimentare cu energie electrică (vezi . Datorită impedanţei proprii a sistemului de alimentare, curenţii armonici absorbiţi din aceasta de către un consumator oarecare vor produce distorsionarea formei de undă sinusoidale a tensiunii de alimentare, cu consecinţe directe asupra tuturor celorlalţi consumatori alimentaţi din sistem de distribuţie. Mai dăunător este, însă, faptul că distorsiunile armonice pot fi injectate în reţelele de înaltă tensiune, prin intermediul transformatoarelor de distribuţie. În acest mod, poluarea armonică poate fi răspândită pe o arie foarte mare. 3.3.1.1. Distorsionarea formei de undă sinusoidale a tensiunii de alimentare Atât sursa de alimentare cât şi liniile de transport au impedanţe proprii. Ca rezultat al trecerii curentului electric prin aceste impedanţe, iau naştere căderi de tensiune armonice corespunzătoare fiecărei armonici de curent, în parte. Aceste tensiuni se suprapun peste tensiunea de alimentare a sursei, determinând distorsionarea formei de undă sinusoidale a tensiunii de alimentare. 3.3.1.2. Zgomotul la trecerea prin zero Multe regulatoare electronice depistează punctul la care tensiunea sursei de alimentare trece prin punctul de zero, pentru a determina momentul de începere a alimentării consumatorilor, în scopul realizării operaţiei de cuplare-decuplare atunci când încărcarea circuitului este minimă. Acest lucru este necesar, deoarece comutaţia sarcinilor inductive la tensiune nulă nu generează perturbaţii armonice, în acest mod reducându-se interferenţa electromagnetică şi suprasolicitarea dispozitivelor de comutaţie statică (semiconductoarelor de putere). Atunci când sursa de alimentare este poluată armonic, momentul de trecere prin zero a tensiunii este mult mai greu de depistat, conducând la funcţionarea eronată a regulatoarelor care funcţionează pe baza detectării momentului de trecere prin zero a tensiunii de alimentare. De multe ori, chiar

Fig. 3.18. Evoluţia valorilor efective şi de vârf pe măsura creşterii conţinutului de armonici

85

pe parcursul al unei semiperioade, au loc mai multe treceri prin punctul de zero a tensiunii. 3.3.1.3. Supraîncălzirea conductoarelor neutre Echipamentele electronice nu generează armonici de o singură frecvenţă. Printre cele mai nocive se numără armonicile de ordin multiplu de trei. Acestea sunt produse, în special de echipamentele de calcul, care sunt responsabile pentru apariţia armonicilor a 3-a, a 9-a şi a 15-a. Acest tip de armonici reprezintă o preocupare majoră pentru cei care proiectează şi exploatează instalaţii electrice, deoarece ele produc mai mult decât distorsionarea formei de undă a tensiunii de alimentare. Intr-un sistem trifazat simetric, tensiunile (atât cele de linie, cât şi cele de fază) sunt egale şi egal defazate (decalate) cu 120°, astfel încât, atunci când fiecare fază

este încărcata în mod egal (cazul receptorului echilibrat), curentul rezultat în conductorul neutru este zero. Dacă receptorul nu este echilibrat, conductorul neutru este parcurs doar de curentul de dezechilibru. Datorită acestui fapt, foarte multe instalaţii electrice au fost prevăzute cu cabluri la care secţiunea conductoarelor neutre este jumătate din secţiunea conductoarelor de fază. Armonicile de ordin multiplu de trei reprezintă cauza supraîncălzirii conductoarelor neutre ale sistemelor trifazate cu patru conductoare de alimentare. În timp ce armonica întâi (fundamentala) şi armonicile de ordin par se anulează în conductoarele neutre, armonicile de ordin impar se însumează. Chiar şi în cazul unui receptor trifazat neliniar echilibrat, curentul din conductorul neutru poate atinge o

amplitudine de 3 ori mai mare decât a

curentului mediu de fază. Având în vedere faptul că secţiunea conductorului neutru este, conform reglementărilor în vigoare, cel mult egală cu cea a conductoarelor de fază, supraîncărcarea conductorului neutru conduce la supraîncălzirea şi la deteriorarea izolaţiei acestuia. În unele cazuri, se poate ajunge chiar la distrugerea izolaţiei dintre înfăşurările transformatoarelor de distribuţie. Ambele cazuri prezintă un risc de incendiu ce nu poate fi neglijat. Pentru un receptor trifazat în conexiune stea, curentul din conductorul neutru este dat de către suma vectorială a celor trei curenţi de fază (care sunt, în cazul acestui tip de conexiune, egali cu curenţii de linie) [3.32], [3.33]. În cazul unui receptor liniar echilibrat,

Fig. 3.19 – Curentul din conductorul neutru pentru un receptor liniar

trifazat stea echilibrat

Fig. 3.20 – Curentul din conductorul neutru pentru un receptor liniar trifazat

stea dezechilibrat

Fig. 3.21 – Curentul din conductorul neutru pentru un receptor neliniar

trifazat stea echilibrat

86

suma este nulă şi, prin urmare, curentul din conductorul neutru are valoarea zero (figura 3.19). În cazul general al sistemelor trifazate de alimentare a consumatorilor liniari monofazaţi, încărcarea fazelor este, în general, diferită, ceea ce face ca valoarea curentului din conductorul neutru să fie diferită de zero, dar mai mică decât valorile curenţilor de fază (figura 3.20). Dacă reţeaua alimentează consumatori neliniari, chiar dacă fazele sunt încărcate identic (receptor echilibrat), mai mult ca sigur este faptul că valoarea curentului din conductorul neutru este importantă. Suma celor trei curenţi de linie nesinusoidali poate fi diferită de zero, chiar dacă aceştia au valori efective egale. În exemplul din figura 3.21, prin însumarea celor trei curenţi de linie nesinusoidali de valori efective egale rezultă un curent important prin conductorul neutru. De fapt, armonicile multiplu de trei ale curenţilor de linie sunt în fază, astfel încât ele se însumează algebric, în loc să se anuleze prin însumare vectorială.

În figura 3.22 se observă faptul că armonicile întâi ale fiecărui curent de fază alcătuiesc un sistem trifazat simetric, având valori efective egale şi fiind defazate cu 120° una faţă de cealaltă [3.32], [3.33]. În schimb, cele trei armonici de ordinul trei („triplu N”) ale curenţilor de fază (având frecvenţă triplă în raport cu frecvenţa fundamentalelor) sunt identice. Curentul rezultat prin însumare are o valoare efectivă sensibil mai mare decât a fundamentalelor. Prin

însumarea cele trei armonici de ordinul trei ale curenţilor de fază, cu o valoare efectivă estimată la 70 % din valoarea efectivă a fundamentalelor, rezultă un curent pe conductorul neutru, a cărui valoare efectivă de 210 % în raport fundamentalele fazelor. Ca o concluzie, deşi curenţii fundamentali se anulează, cei armonici nu se anulează, mai mult chiar, cei impari care sunt multiplu de trei ai curentului fundamental, adică armonicile “triplu N”, se însumează în conductorul neutru. În consecinţă, secţiunea conductoarelor neutre ar trebui să fie dublă, în raport cu secţiunea conductoarelor de fază. Acest lucru se poate obţine comod, folosind cabluri cu cinci conductoare; câte un conductor pentru fiecare fază şi două pentru neutru, toate de secţiuni transversale egale. Există, deja, o serie de producători europeni, care pun la dispoziţie cabluri cu cinci conductoare. Dacă nu este posibilă folosirea unui cablu cu cinci conductoare, cea mai indicată soluţie este utilizarea cablurilor cu secţiune dubla pentru conductorul neutru. Alternativa montării unui conductor neutru separat, în paralel, pe un cablu de alimentare existent cu patru conductoare este mai puţin satisfăcătoare, deoarece conductorul suplimentar este separat fizic de cablul existent, inductanţa mutuală dintre noul conductor neutru şi faze fiind mai mica decât cea dintre conductorul neutru al cablului şi faze. Aceasta conduce la o creştere a impedanţei aparente a conductorului extern, care absoarbe, astfel, o proporţie mai mică din curentul neutru total. Determinarea riguroasă a valorii efective a curentului din conductorul neutru este imposibilă, dacă nu se cunoaşte forma de undă reală sau teoretică a curenţilor de sarcină. Ca o aproximare, totuşi, se poate considera că valoarea efectivă a curentului

Fig. 3.22. Supraîncărcarea conductorului neutru datorată suprapunerii armonicilor multiplu de 3 ale curenţilor de fază fundamentali peste curentul din

conductorul neutru

87

din conductorul neutru este de 1,61 ori mai mare decât valoarea efectivă a curentului de fază pentru receptoare cum sunt calculatoarele electronice sau poate ajunge să fie chiar de 1,73 ori mai mare, în cazul redresoarelor comandate. 3.3.1.4 Efectele regimului deformant asupra transformatoarelor În cazul transformatoarelor de forţă [3.23], [3.24], tensiunile nesinusoidale produc o creştere a pierderilor de energie prin curenţi turbionari, iar curenţii nesinusoidali conduc la creşterea pierderilor prin efect Joule-Lenz; aceste pierderi, totuşi, nu sunt semnificative. Prezenţa armonicilor de tensiune şi de curent măresc totodată zgomotul transformatoarelor. Mai importante sunt componentele de curent continuu (datorate receptoarelor de joasă tensiune alimentate de transformator) care produc o premagnetizare a miezului feromagnetic , având ca urmare majorarea şi asimetrizarea curenţilor de magnetizare şi în consecinţă mărirea pierderilor prin curenţi turbionari; efectele sunt mai reduse în cazul înfăşurărilor în zig-zag şi în triunghi, utilizate cu precădere în distribuţia de joasă tensiune. Pe de altă parte ,transformatoarele fiind

dispozitive neliniare, deci surse deformante, ele înrăutăţesc regimul deformant existent în reţeaua de alimentare. Armonicile de curent datorate tensiunii nesinusoidale de alimentare se adună algebric celor datorate neliniarităţii miezului, iar în curentul nesinusoidal de magnetizare accentuează deformarea tensiunii la borne. Corespunzător, transformatorul trebuie descărcat în funcţie de ponderea consumatorilor liniari din totalul sarcinii alimentate de către acesta (figura 3.23 [3.25]).

În cazul transformatoarelor trifazate, modul în care acestea răspund la armonici depinde de tipul (configuraţia) conexiunii trifazate utilizate. În cazul unei configuraţii stea - stea, orice dezechilibru între curenţii de fază provoacă deplasarea punctului neutru al stelei receptorului faţă de poziţia punctului neutru al generatorului şi dispariţia simetriei sistemului tensiunilor pe fază la receptor. Curenţii armonici „triplu N” determină, atât în primarul, cât şi în secundarul transformatorului apariţia tensiunilor de fază armonice, precum şi apariţia tensiunii de deplasare a neutrului receptorului stea. Dacă primarul transformatorului este alimentat printr-un sistem cu patru conductoare, cu alte cuvinte dacă punctul neutru al receptorului trifazat în conexiune stea, pe care îl constituie cele trei înfăşurări ale primarului acestuia) este conectat la conductorul neutru, distorsionarea tensiunii este înlăturată, dar, ca o consecinţă, prin conductorul neutru va circula un curent armonic, în acest fel, distorsiunile armonice fiind injectate în sistemul de alimentare. Acest fapt poate fi înlăturat prin adăugarea unui bobinaj trifazat suplimentar (terţiar) în conexiune triunghi, dimensionat la aproximativ 30 % din valoarea puterii nominale a transformatorului. Această înfăşurare trifazată oferă o cale de circulaţie pentru curenţii armonici, împiedicând, astfel, propagarea lor în sistemul de alimentare.

Fig. 3.23 - Variaţia subîncărcărcării necesar a fi aplicate unui transformator în funcţie de

ponderea consumatorilor neliniari

88

Pentru o configuraţie triunghi – stea, curenţii dezechilibraţi şi “triplu N” circulă în înfăşurarea trifazată în conexiune triunghi a primarului şi nu se propagă în sistemul de alimentare. Aceasta configurate este una dintre cele mai folosite pentru transformatoarele de distribuţie a energiei electrice. Aşa cum era şi de aşteptat, armonicile de ordin scăzut sunt cele mai periculoase, deoarece sunt de amplitudini mari, fiind mai puţin atenuate de impedanţa sistemului şi mai greu de eliminat la sursă. Toate armonicile, propagate sau nu, provoacă pierderi suplimentare în bobinajele şi miezul magnetic ale transformatorului. Curenţii armonici nu produc putere utilă, ci provoacă pierderi excesive şi temperaturi ridicate ale bobinajelor. Pierderile în miezul magnetic, şi anume pierderile prin histerezis şi cele prin curenţi turbionari (Foucault) cresc o dată cu creşterea frecvenţei armonicilor. Pierderile suplimentare din transformator datorate curenţilor turbionari pot fi calculate cu ajutorul relaţiei:

maxn n

2 2

n ef n

n 1

P P I n

(3-5)

în care:

enP este pierderea totală datorată curenţilor turbionari;

efP este pierderea datorată curenţilor turbionari la frecvenţa fundamentală;

n este ordinul armonicii;

nI este valoarea efectivă a curentului armonic de ordinul h , exprimată în procente

din valoarea nominală a curentului fundamental.

Factorul maxn n

2 2

n

n 1

I n

este numit şi factorul K, pe plăcile de timbru ale

transformatoarelor fiind, adeseori, precizată valoarea maximă a acestui parametru. Dacă valoarea factorului K nu este menţionată, ea poate fi considerată ca având valoare unitară. Această ecuaţia dă rezultate bune pentru armonici de ordin mic, până la ordinul 9, pentru armonici de ordin mare valorile oferite de aceasta fiind mai mari decât cele reale. Ecuaţia se bazează şi pe faptul că impedanţa sursei este constantă pentru toate armonicile, ceea ce, în realitate, nu este adevărat. Transformatoarele de puteri mari au, adeseori, bobinaje conectate în paralel, situaţie în care nu se poate realiza o bună împărţire a curentului de sarcină. Această problemă devine mult mai complicată în prezenţa armonicilor, deoarece ele nu se vor distribui în aceleaşi proporţii ca şi fundamentala Exista modele computerizate, folosite în proiectarea transformatoarelor care sunt destinate alimentării sarcinilor generatoare de armonici trebuie să li se asigure o atenţie sporită, pentru ca producătorul să ia toate măsurile necesare pentru controlul pierderilor. 3.3.1.5 Efectele regimului deformant asupra motoarelor cu inducţie Ca şi în cazul transformatoarelor, distorsiunile armonice provoacă pierderi suplimentare şi în motoarele cu inducţie. Au loc, totuşi, şi pierderi adiţionale, datorate câmpurilor magnetice generate de armonici. Fiecare armonică are o secvenţă, pozitivă, negativă sau zero, care indică sensul de ”rotaţie” al câmpului magnetic învârtitor al unui motor cu inducţie care ar rezulta dacă armonica respectivă ar fi aplicată acestuia, comparativ cu sensul de ”rotaţie” pozitiv adoptat pentru armonica fundamentală.

89

În raport cu frecvenţa fundamentală, armonicile sunt asincrone. Acest fapt modifică parametri şi performanţele maşinilor sincrone, deoarece deformează câmpul magnetic principal şi influenţează caracteristicile electrice. Secvenţele de fază ale câtorva armonici sunt prezentate în tabelul 3.1.

Tabelul 3.1

Ordinul armonicii 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

Secvenţa de fază + – 0 + – 0 + – 0 + – 0 + – 0 + – 0 +

Armonicile de secvenţă zero, şi anume cele multiplu impar de trei (armonicile ‚triplu N”), produc un câmp magnetic staţionar, dar deoarece frecvenţele câmpului magnetic al armonicilor sunt mai mari, pierderile de natură magnetică sunt substanţial crescute, energia armonicilor fiind disipată sub formă de căldură. Armonicile de secvenţă negativă dau naştere unui câmp magnetic, ce se ”roteşte” invers (comparativ cu sensul de rotaţie al câmpului magnetic al fundamentalei), ceea ce conduce, la fel ca în cazul armonicilor de secvenţă zero, la pierderi de natură magnetică mărite, şi, suplimentar, la diminuarea cuplului maşinii. Armonicile de secvenţă pozitivă produc un câmp magnetic, ce se ”roteşte„„ în acelaşi sens cu câmpului magnetic al fundamentalei, care se adună cu acesta, conducând la creşterea cuplului motor al maşinii. Perechile de armonici ale curentului nesinusoidal injectat, având ordine (6k-1) şi (6k+1) , (adică perechile de armonici de ordin 5 şi 7 ,11 şi 13 ,17 şi 19, …), produc câmpuri învârtitoare armonice inverse şi respectiv directe, care se compun două câte două dând naştere unor câmpuri eliptice cu axele fixe în raport cu rotorul; ele dezvoltă cupluri parazite care produc efect pendular şi vibraţii mecanice, cu consecinţe directe asupra scăderii duratei de viaţă a motorului. Pentru maşinile sincrone [3.21], [3.23], [3.24], influenţa tensiunii deformante de alimentare asupra pierderilor de energie prin efect Joule-Lenz şi prin curenţi turbionari în stator este mică, armonicile tensiunii de alimentare fiind practic echilibrate de către tensiunile electromotoare induse de fluxurile armonice produse de înfăşurările statorice, care sunt parcurse de curenţii armonici corespunzători. În rotor însă, armonicile de curent induc curenţi importanţi în înfăşurările de amortizare care produc încălziri suplimentare apreciabile. Toate acestea conduc la scăderea randamentului motorului sincron. În cazul maşinilor asincrone [3.16], [3.20], [3.21], [3.23], [3.24],iInfluenţa

tensiunilor şi curenţilor nesinusoidali asupra funcţionării maşinilor asincrone se aseamănă cu acţiunea lor în funcţionarea maşinilor sincrone. Datele experimentale arată că deformarea curentului este mai accentuată dacă motorul asincron (care este un dispozitiv deformant de categoria a doua) funcţionează în gol sau la sarcină redusă şi dacă puterea

Fig. 3.24 Curba de descărcare (diminuare) a cuplului unui motor cu inducţie în funcţie

de factorul de tensiune armonic HVF

90

lui este mai mare. Randamentul maşinilor asincrone scade în regim deformant, atât datorită diminuării cuplului util (deci a puterii utile) , cât şi datorită pierderilor suplimentare în miezul feromagnetic şi în conductoare. În situaţiile în care motoarele cu inducţie vor fi alimentate din reţele poluate armonic, performanţele motoarelor trebuie diminuate în concordanţă cu curba din figura 3.24. Factorul de tensiune armonic (HVF - Harmonic Voltage Factor) este definit cu ajutorul relaţiei:

2nk

n 5

UHVF

k

(3-7)

în care:

kU este valoarea efectivă a armonicii de ordinul k , exprimată ca procent din

valoarea efectivă a fundamentalei; k este ordinul armonicilor impare, mai puţin al celor “triplu N”.

Adeseori, însă, pentru factorul de tensiune armonic se utilizează relaţia de definiţie a acestuia în conformitate cu IEC 60892 [3.3] (în care însumarea se face doar până la armonica a 13-a):

2n 13k

n 2

UHVF

k

(3-8)

Aceasta influenţă negativă a armonicilor asupra performanţelor motoarelor cu inducţie conduce la necesitatea prevederii unor circuite de alimentare separate pentru motoarele cu inducţie, în scopul a izola motoarele de problemele armonice create de către sarcinile neliniare alimentate din aceeaşi reţea. 3.3.1.6 Deranjamentele în funcţionarea întreruptoarelor electromagnetice Întreruptoarele cu protecţie diferenţială (RCCB - Residual Current Circuit Breakers) funcţionează pe baza detectării curentului rezultat prin însumarea curenţilor de pe faze şi de pe conductorul neutru. Apariţia unui curent rezultant de valoare mai mare decât limita normată, conduce la deschiderea (întreruperea) circuitului respectiv. Declanşarea nedorită (în alte condiţii decât cele anterior menţionate) poate fi cauzată şi de către prezenţa armonicilor. Există două motive, pentru care armonicile conduc la deranjamente în funcţionarea acestor întreruptoare. În primul rând, trebuie amintit faptul că aceste întreruptoare cu protecţie diferenţială sunt, în fapt, aparate electromecanice (electromagnetice), care nu pot însuma în mod corect componentele (armonicile) de frecvenţe mai mari decât cea fundamentală ale curentului nesinusoidal (armonic), motiv pentru care, adeseori au loc declanşări eronate. În al doilea rând, valoarea efectivă a intensităţii curentului din circuit este mai mare decât cea a curentului fundamental (rezultat, fie prin calcul, fie prin măsurări făcute cu aparate obişnuite). Majoritatea instrumentelor de măsură portabile nu oferă valorile efective adevărate (true RMS), ele măsurând valorile medii ale semnalelor, cărora le aplică un factor de corecţie, care presupune că forma de undă a semnalului este pur sinusoidală. În prezenţa armonicilor, valorile rezultate prin măsurare cu astfel de instrumente pot fi cu mult mai mici decât cele reale, ceea ce conduce la un reglaj eronat al aparaturii de protecţie. Măsurarea valorilor efective adevărate necesită un răspuns corect într-o bandă largă de frecvenţe şi posibilitatea multiplicării la viteze ridicate, ceea ce ca aceasta să fie greu de implementat la aparatele portabile ieftine

91

Momentan, instrumentele portabile moderne sunt capabile sa măsoare forme de undă ale tensiunii cu un factor de amplitudine (de vârf) mai mare de trei cu o acurateţe de 5 % Factorul de amplitudine (de vârf) al unei mărimi este, după cum va fi prezentat într-un capitol ulterior, raportul dintre valoarea maximă (amplitudinea) şi valoarea efectivă a mărimii respective. Pentru mărimi sinusoidale, valoarea factorului de

amplitudine (de vârf) este 2 . Recent, au început să fie disponibile şi întreruptoare sensibile la valoarea efectivă a curentului. Apariţia lor, corelată cu măsurarea corecta a valorii efective a curenţilor va conduce la o dimensionare şi o exploatare corectă a instalaţiilor poluate armonic. 3.3.1.7 Suprasolicitarea condensatoarelor de compensare a factorului de putere În reţelele de alimentare cu energie electrică prevăzute cu compensare a factorului de putere, datorită prezenţei condensatoarelor conectate în serie şi în paralel cu elementele reactiv-inductive ale reţelei, pot să apară fenomene de rezonanţă serie sau paralel, care să conducă la amplificări importante ale curenţilor şi tensiunilor armonice. Condensatoarele de compensare a factorului de putere au rolul de a absorbi din reţea curenţi al căror defazaj este opus curenţilor absorbiţi de către sarcinile inductive , cum sunt motoarele cu inducţie. Valoarea impedanţei unui condensator (practic, valoarea reactanţei sale capacitive) este invers proporţională cu frecvenţa, astfel încât, în prezenţa curenţilor armonici de frecvenţe mai mari decât cea fundamentală, valoarea impedanţei sale scade puternic, determinând o creştere accentuată a intensităţii curentului ce îl parcurge, „amplificând”, astfel, curentul armonic. În situaţia în care condensatorul nu este special proiectat să suporte aceşti curenţi armonici de valori mari, acesta se poate distruge complet. O a doua problemă este aceea că inductanţa de scăpări a transformatorului de alimentare şi condensatorul pot intra în rezonanţă la o frecvenţă apropiată sau chiar egală cu cea a unei armonici, fapt ce conduce la apariţia unor curenţi sau tensiuni de valori foarte mari, amplitudinile unora dintre armonicile de curent putând creşte, uneori, până la valoarea fundamentalei. Rezonanţa poate fi evitată prin adăugarea unei bobine (inductanţe) în serie cu condensatorul, în aşa fel încât ansamblul rezultat să aibă caracter inductiv pentru armonica semnificativă de cel mai mic ordin. Aceasta soluţie limitează, de asemenea, creşterea valorii curentului ce poate lua naştere în condensator. Deoarece valoarea inductanţei bobinei depinde de ordinul şi amplitudinea armonicilor poluante, dimensiunile fizice ale bobinei pot constitui o problemă, mai ales atunci când sunt prezente armonici de ordin scăzut. 3.3.1.8 Efectul pelicular Curentul alternativ, spre deosebire de cel continuu, care este caracterizat de o densitate de curent constantă în orice punct al suprafeţei transversale a conductorului pe care acesta îl străbate, tinde să se concentreze spre suprafaţa exterioară a conductorului. Acest fenomen este cunoscut sub numele de efect pelicular şi este cu atât mai pronunţat, cu cât valoarea frecvenţei este mai mare. În condiţii normale, acest fenomen este ignorat, deoarece efectul pelicular este extrem de scăzut la frecvenţele normale ale surselor de energie (50 Hz sau 60 Hz), dar, la frecvenţe de peste 350 Hz, (armonica de ordinul 7 sau superioară), efectul pelicular nu mai poate fi neglijat, consecinţele sale devenind semnificative, prin pierderi suplimentare înregistrate. Aceste aspecte vor fi tratate în detaliu în capitolul 8.

92

În prezenţa curenţilor armonici, efectul pelicular trebuie luat în calcul, fiind necesară redimensionarea corespunzătoare a cablurilor nou proiectate sau descărcarea cablurilor existente. Acest aspect va fi tratat în detaliu în capitolul 8. Una dintre soluţiile de atenuare a acestui efect o constituie utilizarea cablurilor multifilare şi a barelor de distribuţie executate din mai multe platbenzi laminate. 3.3.1.9 Efectele regimului deformant asupra aparatelor electrice de măsură Regimul deformant influenţează condiţiile de funcţionare ale aparatelor electrice de măsură clasice, afectând precizia lor, crescând erorile lor de măsurare, în anumite cazuri, până la valori inacceptabile. Aparatele de măsurare obişnuite sunt calibrate pentru a măsura valoarea efectivă pe baza valorii medii, ceea ce face ca, în prezenţa armonicilor, acestea să dea indicaţii incorecte. Studii asupra aparatelor electrice de măsură au fost efectuate, cu deosebire, după ce regimul deformant a devenit o problema a sistemelor electroenergetice; în [3.6] sunt indicate aproape 30 de titluri bibliografice referitoare la acest domeniu. 0 contribuţie deosebită în studiul experimental şi teoretic al funcţionării în regim deformant a diferitelor categorii de aparate electrice de măsură (după mărimea electrică măsurată şi după principiul de funcţionare) a avut profesorul Ion S. Antoniu [3.6], [3.7], [3.5], [3.9], [3.11], [3.12], [3.13], [3.14], [3.18]. Principalele concluzii care se desprind din toate aceste studii sunt următoarele [3.10], [3.22]:

Influenţa regimului deformant este mai puţin importantă în cazul voltmetrelor şi ampermetrelor electromagnetice, electrodinamice şi electrostatice, cu condiţia ca echipajele lor mobile să fie lipsite de piese magnetice saturate.

În cazul aparatelor de inducţie, concluzia de mai înainte rămâne valabilă, numai dacă tensiunea, respectiv curentul periodic nesinusoidal nu conţine componentă continuă; în caz contrar, aparatul de măsură prezintă o eroare sistematică, întotdeauna negativă.

Singurele aparate de măsură a căror funcţionare nu este afectată de regimul deformant sunt ampermetrele şi voltmetrele termice, cu fir cald.

Influenţa regimului deformant este importantă în cazul wattmetrelor şi contoarelor electrodinamice; erorile acestor aparate de măsură ating valori negative de până la 7% în cazul sarcinilor inductive, iar în cazul sarcinilor capacitive, aceste erori sunt pozitive.

3.3.2. Probleme armonice ce afectează sursa de alimentare cu energie electrică şi reţelele de transport şi distribuţie a energiei electrice 3.3.2.1 Probleme armonice ce afectează sursa de alimentare cu energie electrică Regulamentele în vigoare impun ca nici un consumator să nu polueze armonic, peste o anumită limită, reţeaua din care se alimentează. Deoarece sistemul de alimentare are impedanţă proprie, curenţii armonici de generaţi de către receptoarele neliniare ale unui consumator oarecare vor provoca distorsionarea formei de undă a tensiunii de alimentare şi, implicit, apariţia armonicilor de tensiune, care vor afecta pe toţi consumatorii racordaţi în acel moment în aceeaşi reţea de distribuie. Mai grav este faptul ca unele dintre distorsiunile armonice vor fi transferate prin intermediul transformatorului de distribuţie în reţele de medie sau chiar de înaltă tensiune, propagându-se, astfel, pe o scară foarte largă.

93

Gradul de distorsionare a tensiunii (provocată de un curent armonic) depinde de impedanţa sursei; cu cât este mai mare impedanţa, cu atât este mai mare gradul de distorsionare a tensiunii. Reţeaua de alimentare are, în general, caracter inductiv pentru armonici de până la al zecelea ordin, astfel încât impedanţa sursei este direct proporţională cu frecvenţa, rezultând, astfel, că distorsiunea va fi cu atât mai mare, cu cât armonica este de ordin mai mare. Şi cum reducerea impedanţei sursei nu este, în mod normal, posibilă, este nevoie să se ia alte măsuri pentru a asigura nedepăşirea limitelor impuse pentru gradul de distorsiune a tensiunii. Masurile cele mai indicate depind de natura exacta a cauzelor. Soluţiile posibile includ:

filtre armonice pasive;

transformatoare de izolare;

aparate active de condiţionare a armonicilor. 3.3.2.2 Probleme armonice ce afectează reţelele electrice de transport şi distribuţie a energiei electrice Circulaţia armonicilor de curent în reţelele electrice cauzează pierderi energetice suplimentare prin efect Joule-Lenz ; acestea sunt amplificate de efectul pelicular şi cresc dacă se manifestă fenomenele de rezonanţă sau de ferorezonanţă [3.24]. Conductoarele neutre sunt adeseori parcurse de importanţi curenţi nesinusoidali, în care predomină ca pondere armonicile de ordinul 3k; pentru diminuarea pierderilor energetice secţiunile acestora trebuiesc majorate considerabil. De asemenea, pierderile energetice în materialele izolante ale cablurilor şi în dielectricii condensatoarelor electrice cresc practic proporţional cu ordinul armonicilor tensiunii nesinusoidale; la aceste pierderi de mai adaugă cele cauzate de histerezisul electric. Ca urmare, are loc o îmbătrânire termică mai rapidă a izolanţilor, iar, câmpurile electrice armonice de rang superior (>13) generează procese fizico-chimice ireversibile, care degradează prematur materialele izolante [3.20]. Tratarea neutrului cu bobine de compensare a curenţilor capacitivi de punere la pământ este o metodă neadecvată în condiţiile regimului deformant; circa 80% din volumul armonicilor generate de receptoarele neliniare se găsesc în reţelele de medie tensiune, iar practic acordarea bobinei de stingere nu mai este posibilă. 3.4 Prevederile referitoare la armonici ale standardelor naţionale şi internaţionale 3.4.1 Prevederile referitoare la armonici ale standardului IEC 61000-2-2 Standardul IEC 61000-2-2 Ed. 1.0:2002 [3.27] se referă la perturbaţiile de conducţie de joasă frecvenţă (0 - 9 kHz), cu o extensie până la 148.5 kHz (pentru sistemele de transmisie a informaţiei prin reţeaua de alimentare cu energie electrică). Standardul indică nivelele de compatibilitate pentru reţelele de distribuţie publice a energiei electrice cu tensiuni de fază de până la 420 Vca (şi cu tensiuni de linie de până la 690 Vca) şi cu frecvenţa de 50 Hz sau 60 Hz. Nivelele de compatibilitate specificate în acest standard se aplică în PCC şi trebuie înţelese ca referindu-se la armonici staţionare sau cvasi-staţionare. Sunt precizate limite atât din punctul de vedere al efectelor pe termen lung, cât şi al celor pe termen foarte scurt. Efectele pe termen lung se referă la armonici de regim permanent a căror durată este de cel puţin 10 min, în timp ce efectele pe termen scurt se referă la armonici a căror durată este de cel mult trei secunde. Pentru efecte pe termen lung, nivelele de compatibilitate pentru fiecare armonică de tensiune sunt cele din tabelul 3.2.

94

Pentru efecte pe termen scurt, nivelele de compatibilitate pentru fiecare armonică de tensiune sunt cele din tabelul 3.2 înmulţite cu un coeficient k, a cărui valoare este dată de relaţia:

0,7 n 5

k 1,345

(3-9)

în care n este ordinul armonicii de tensiune. Nivelul de compatibilitate corespunzător coeficientului total de distorsiune este THD = 11%.

Tabelul 3.2 - Nivelele de compatibilitate pentru armonicile de tensiune în reţelele de joasă

tensiune (JT) exprimate ca procente din fundamentală conform standardului IEC 61000-2-2

Armonici de tensiune impare Armonici de tensiune pare

nemultiplu de 3 multiplu de 3

Ordinul n al armonicii

Valoare relativă (%) Ordinul n al

armonicii Valoare

relativă (%) Ordinul n al

armonicii Valoare relativă (%)

5 6 3 5 2 2

7 5 9 1,5 4 1

11 3,5 15 0,4 6 0,5

13 3 21 0,3 8 0,5

17≤ h ≤ 49 2,27 x (17/h) – 0,27 21 < h ≤ 45 0,2 10 ≤ h ≤ 50 0,25 x (10/h) + 0,25

Notă: Limitele indicate pentru armonicile impare care sunt multiplu de trei se aplică doar armonicilor de succesiune directă. De asemenea, în sisteme trifazate fără conductor neutru sau cu consumatori monofazaţi, valorile armonicilor de ordinul 3 şi 9 pot avea valori mult mai mici decât nivelele de compatibilitate, în funcţie de nesimetria sistemului. Nivelul de compatibilitate corespunzător coeficientului total de distorsiune este THD = 8%.

3.4.2 Prevederile referitoare la armonici ale standardului IEC 61000-2-4 Standardul IEC 61000-2-4 Ed. 2.0:2002 [3.29] se referă la perturbaţiile de conducţie de joasă frecvenţă (0 - 9 kHz). Standardul indică nivelele de compatibilitate pentru reţelele de distribuţie industriale şi altele decât publice a energiei electrice cu tensiuni de fază de până la 35 kVca şi cu frecvenţa de 50 Hz sau 60 Hz. Nivelele de compatibilitate specificate în acest standard se aplică în punctul de conectare uzinal intern (IPC - In Plant Point of Coupling) şi trebuie înţelese ca referindu-se la armonici staţionare sau cvasi-staţionare. Sunt precizate limite atât din punctul de vedere al efectelor pe termen lung, cât şi al celor pe termen foarte scurt. Standardul IEC 61000-2-4 defineşte trei clase de mediu electromagnetic, şi anume:

Clasa 1 se aplică situaţiilor în care trebuie luate măsuri de protecţie în ceea ce priveşte sursa de alimentare cu energie electrică şi pentru care nivelul de compatibilitate este mai mic decât cel corespunzător reţelelor de distribuţie publice. Aceast clasă se referă, practic, la alimentarea echipamentelor foarte sensibile la perturbaţii, cum ar fi aparatura electrică de laborator, unele echipamente de automatizare şi protecţie, unele calculatoare electronice, etc. Note: 1. Clasa 1 conţine echipamente care necesită protecţie prin intermediul unor aparate cum sunt UPS-urile, filtrele sau descărcătoarele. 2 În anumite cazuri, unele echipamente extrem de sensibile necesită nivele de compatibilitate mai joase decât cele corespunzătoare Clasei 1. În aceste situaţii nivelele de compatibilitate trebuie să fie negociate între furnizor şi beneficiar (mediu controlat).

95

Clasa 2 se aplică în punctele comune de conectare (PCC) şi în punctele de conectare uzinale interne (IPC) în mediile industriale şi altele decât cele publice. În general, nivelele de compatibilitate corespunzătoare acestei clase sunt identice cu cele ale reţelelor publice de alimentare. În consecinţă, echipamentele proiectate să fie alimentate din reţele publice pot fi utilizate fără probleme în această clasă de mediu industrial.

Clasa 3 se aplică doar în punctele de conectare uzinale interne (IPC) în mediile industriale. Pentru anumte tipuri de perturbaţii, nivelul de compatibilitate al acestei clase este mai mare decât cel corespunzător Clasei 2. Se poate considera că ne încadrăm în această clasă, atunci când este îndeplinită una dintre următoarele condiţii:

- marea majoritate a consumatorilor sunt alimentaşi prin intermediul convertizoarelor de frecvenţă;

- sunt prezente echipamente de sudare; - au loc porniri frecvente de motoare de mare putere; - au loc modificări rapide ale sarcinii echipamentelor.

Note: 1. Alimentarea echipamentelor puternic perturbatoare, cum sunt cuptoarele cu arc electric sau convertizoarele de mare putere (care se face, de regulă, din bare separate) conduce la nivele de perturbaţii superioare celor din Clasa 3 (mediu dur). În aceste situaţii, nivelele de compatibilitate trebuie să fie negociate între furnizor şi beneficiar.

Efectele pe termen lung se referă la armonici de regim permanent a căror durată este de cel puţin 10 min, în timp ce efectele pe termen scurt se referă la armonici a căror durată este de cel mult trei secunde. Pentru efecte pe termen scurt, nivelele de compatibilitate pentru fiecare armonică de tensiune sunt cele din tabelele 3.3, 3.4 şi 3.5. Nivelele de compatibilitate

corespunzătoare coeficientului total de distorsiune THD sunt date în tabelul 3.6.

Pentru efecte pe termen scurt, nivelele de compatibilitate pentru fiecare armonică de tensiune şi pentru coeficientul total de distorsiune THD sunt:

pentru clasele 1 şi 3, valorile sunt cele din tabelele 3.3, 3.4, 3.5 şi 3.6 înmulţite cu 1,5.

pentru clasa 2, valorile sunt cele din tabelul 3.3 înmulţite cu un coeficient k, a cărui valoare este dată de relaţia 3-9.

Tabelul 3.3 – Nivele de compatibilitate pentru armonici de tensiune impare nemultiplu de 3

Ordinul armonicii Clasa 1 Clasa 2 Clasa 3

n Un (%) Un (%) Un (%)

5 3 6 8

7 3 5 7

11 3 3,5 5

13 3 3 4,5

17 2 2 4

17 < h ≤ 49 2,27 x (17/h) - 0,27 2,27 x (17/h) - 0,27 4,5 x (17/h) - 0,5

Notă – În anumite situaţii, în care o parte a unei reţele industriale este dedicată unor sarcini neliniare de mare putere, nivelele de compatibilitate corespunzătoare Clasei 3 pentru acea parte a reţelei pot fi de 1,2 ori mai mari decât valorile prezentate în tabel. Totuşi, în PCC, nivelele de compatibilitate date în standardele IEC 61000-2-2 şi IEC 61000-2-12 au prioritate.

96

Tabelul 3.4– Nivele de compatibilitate pentru armonici de tensiune impare multiplu de 3

Ordinul armonicii Clasa 1 Clasa 2 Clasa 3

n Un (%) Un (%) Un (%)

3 3 5 6

9 1,5 1,5 2,5

15 0,3 0,5 2

21 0,2 0,4 1,75

21 < h ≤ 45 0,2 0,3 1

Note: 1. Aceste nivele se aplică armonicilor de succesiune directă (de secvenţă zero). 2. În anumite situaţii, în care o parte a unei reţele industriale este dedicată unor sarcini neliniare de mare putere, nivelele de compatibilitate corespunzătoare Clasei 3 pentru acea parte a reţelei pot fi de 1,2 ori mai mari decât valorile prezentate în tabel. Totuşi, în PCC, nivelele de compatibilitate date în standardele IEC 61000-2-2 şi IEC 61000-2-12 au prioritate.

Tabelul 3.5– Nivele de compatibilitate pentru armonici de tensiune pare

Ordinul armonicii Clasa 1 Clasa 2 Clasa 3

n Un (%) Un (%) Un (%)

2 2 2 3

4 1 1 1,5

6 0,5 0,5 1

8 0,5 0,5 1

10 0,5 0,5 1

10 < h ≤ 50 0,25 x (10/h) + 0,25 0,25 x (10/h) + 0,25 1

Notă – În anumite situaţii, în care o parte a unei reţele industriale este dedicată unor sarcini neliniare de mare putere, nivelele de compatibilitate corespunzătoare Clasei 3 pentru acea parte a reţelei pot fi de 1,2 ori mai mari decât valorile prezentate în tabel. Totuşi, în PCC, nivelele de compatibilitate date în standardele IEC 61000-2-2 şi IEC 61000-2-12 au prioritate.

Tabelul 3.6– Nivele de compatibilitate pentru coeficientul total de distorsiune (THD)

Clasa 1 Clasa 2 Clasa 3

Coeficientul total de distorsiune (THD) 5% 8% 10%

Notă – În anumite situaţii, în care o parte a unei reţele industriale este dedicată unor sarcini neliniare de mare putere, nivelele de compatibilitate corespunzătoare Clasei 3 pentru acea parte a reţelei pot fi de 1,2 ori mai mari decât valorile prezentate în tabel. Totuşi, în PCC, nivelele de compatibilitate date în standardele IEC 61000-2-2 şi IEC 61000-2-12 au prioritate. 3.4.3 Prevederile referitoare la armonici ale standardului IEC 61000-3-2 Baza tuturor reglementărilor şi standardelor actuale şi de perspectivă în domeniul limitării perturbaţiilor armonice generate de către echipamente o constituie standardul IEC 555, apărut în 1982, şi care, revizuit, a condus la apariţia actualului standard IEC 61000-3-2 Ed. 3.0 b:2005 [3.26]. Standardul IEC 61000-3-2 Ed. 3.0 b:2005 acoperă o arie destul de răspândită de echipamente de mică putere (cu puteri cuprinse între 75 W şi 600 W şi cu un curent consumat maxim de 16 A), pentru care stabileşte o serie de valori ale limitelor emisiilor armonice. Astfel, sunt cuprinse atât echipamentele monofazate alimentate cu tensiuni în

97

domeniul 220V – 240V (50/60 Hz), cât şi echipamentele trifazate alimentate cu tensiuni în domeniul 380V – 415V (50/60 Hz). Standardul împarte echipamentele în patru mari categorii (clase), stabilind pentru fiecare dintre acestea câte un set de valori limită distincte, după cum urmează: Clasa A include:

echipamentele trifazate echilibrate,

aparatura electrocasnică (cu excepţia echipamentelor incluse în clasa D),

uneltele şi sculele electrice (cu excepţia celor portabile),

variatoarele de intensitate luminoasă pentru lămpi cu incandescenţă,

echipamentele audio,

orice alt echipament care nu aparţine claselor B, C sau D. Valorile limită ale emisiilor (curenţilor armonici) pentru echipamentele incluse în clasa A sunt prezentate în tabelul 3.7:

Tabelul 3.7 - Valorile maxime ale armonicilor de curent pentru echipamentele din clasa A şi pentru unele dintre echipamentele din clasa C conform standardului IEC 61000-3-2

Armonici impare Armonici pare

Ordinul armonicii Curent maxim Ordinul armonicii Curent maxim

3 2,30 A 2 1,08 A

5 1,14 A 4 0,43 A

7 0,77 A 6 0,30 A

9 0,40 A 8 ≤ n < 40 0,23 x (8 / n) A

11 0,33 A

13 0,21 A

15 ≤ n < 39 0,15 x (15 / n) A

Clasa B include:

uneltele şi sculele electrice portabile,

echipamentele de sudare cu arc electric care nu intră în gama profesională, Valorile limită ale curenţilor armonici pentru echipamentele incluse în clasa B sunt egale cu cele corespunzătoare clasei A, dar multiplicate cu 1,5 (tabelul 3.8):

Tabelul 3.8 - Valorile maxime ale armonicilor de curent pentru echipamentele din clasa B şi pentru unele dintre echipamentele din clasa C conform standardului IEC 61000-3-2

Armonici impare Armonici pare

Ordinul armonicii Curent maxim Ordinul armonicii Curent maxim

3 3,45 A 2 1,62 A

5 1,71 A 4 0,645 A

7 1,155 A 6 0,45 A

9 0,60 A 8 ≤ n < 40 0,345 x (8 / n) A

11 0,495 A

13 0,315 A

15 ≤ n < 39 0,225 x (15 / n) A

Clasa C include:

echipamentele pentru iluminat.

98

Pentru lămpile prevăzute cu balast care au o putere absorbită mai mare de 25 W, valorile limită ale curenţilor armonici (exprimate în procente din curentul fundamental) trebuie să se încadreze în limitele prezentate în tabelul 3.9: Dacă putere absorbită este mai mică de 25 W, valorile limită ale curenţilor armonici (exprimate în procente din curentul fundamental) trebuie să se încadreze în limitele prezentate în tabelul 3.10. Lămpile incandescente prevăzute cu variatoare de intensitate luminoasă cu puteri mai mari de 1 kW trebuie să se încadreze în limitele prezentate în tabelul 3.7. Lămpile cu descărcare echipate cu variatoare de intensitate luminoasă trebuie să se încadreze în limitele prezentate atât în tabelul 3.9, cât şi în cele prezentate în tabelul 3.10.

Tabelul 3.9 - Valorile maxime ale armonicilor de curent pentru echipamentele din clasa C (exprimate în procente din curentul fundamental) conform standardului IEC 61000-3-2

Ordinul armonicii Curent maxim (procente din curentul fundamental)

2 2 %

3 30 % x

5 10 %

7 7 %

9 5 %

11 ≤ n < 39 3 %

Clasa D include echipamente cu putere absorbită inferioară valorii de 600 W:

calculatoarele personale şi monitoarele destinate acestora,

aparatura de recepţie TV, În general, echipamentele din clasa D au puteri inferioare valorii de 1 kW, dar pot avea efecte perturbatoare semnificative asupra sistemelor de alimentare cu energie electrică datorită unei serii de factori care include, printre altele, numărul de echipamente în folosinţă, durata de utilizare, gradul de simultaneitate în utilizare, puterea absorbită, spectrul armonic, etc. Valorile limită ale emisiilor (curenţilor armonici) pentru echipamentele incluse în clasa D şi pentru unele dintre echipamentele din clasa C sunt prezentate în tabelul 3.10:

Tabelul 3.10 - Valorile maxime ale armonicilor de curent pentru echipamentele din clasa D şi pentru unele dintre echipamentele din clasa C conform standardului IEC 61000-3-2

Ordinul armonicii Limita relativă (mA / W) Limita absolută (A)

3 3.4 2.30 A

5 1.9 1.14 A

7 1 0.77 A

9 0.5 0.40 A

11 0.35 0.33 A

13 ≤ n < 39 3.85 / n Vezi tabelul 3.2

Standardul IEC -61000-3-2 a fost adoptat integral de către Uniunea Europeană sub numele sub EN 61000-3-2/A14:2000. 3.4.4 Prevederile referitoare la armonici ale standardului IEC 61000-3-12 Standardul IEC 61000-3-12 Ed. 1.0:2005 [3.28] acoperă domeniul echipamentelor de putere cu un curent de fază consumat cuprins între 16 A şi 75 A, pentru care stabileşte valori ale limitelor emisiilor armonice. Limitele indicate se aplică în sistemele

99

cu tensiunea de 230/400 V, 50 Hz. Valorile limită ale curenţilor armonici sunt prezentate în tabelul 3.11:

Tabelul 3.11 – Valorile limită ale emisiilor de curenţi armonici pentru diverse tipuri de consumatori

Valoarea minimă a

Rsce

Valorile limită admisibile ale curenţilor armonici individuali exprimate ca raport între armonica de ordinul n a curentului şi

curentul de referinţă fundamental n 1I I

Factori admisibili de distorsiune

armonică a curenţilor

I3 I5 I7 I9 I11 I13 THD PWHD

[–] [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%]

Alţi consumatori decât consumatori trifazaţi echilibraţi

33 21,6 10,7 7,2 3,8 3,1 2 23 23

66 24 13 8 5 4 3 26 26

120 27 15 10 6 5 4 30 30

250 35 20 13 9 8 6 40 40

≥ 350 41 24 15 12 10 8 47 47

Consumatori trifazaţi echilibraţi

33 10,7 7,2 3,1 2 13 22

66 14 9 5 3 16 25

120 19 12 7 4 22 28

250 31 20 12 7 37 38

≥ 350 40 25 15 10 48 46

Consumatori trifazaţi echilibraţi în condiţii specificate

33 10,7 7,2 3,1 2 13 22

≥120 40 25 15 10 48 46

Note:

1. Valorile relative ale armonicilor pare până la ordinul 12 nu trebuie să depăşească 16 %. Pentru armonicile pare de ordin mai mare de 12, valorile factorilor admisibili de distorsiune armonică a curenţilor sunt aceiaşi cu cei corespunzători armonicilor impare.

2. Sunt premise interpolări liniare între valori consecutive ale raportului de scurtcircuit Rsce. 3. Valoarea raportului de scurtcircuit Rsce reprezintă o valoare caracteristică a unui echipament şi se calculează

după cum urmează:

Rsce = SSC / (3 Sequ) pentru consumatorii monofazaţi sau pentru partea monofazată a consumatorilor hibrizi;

Rsce = SSC / (2 Sequ) pentru pentru consumatori cuplaţi înte două linii;

Rsce = SSC / (1 Sequ) pentru pentru consumatorii trifazaţi sau pentru partea trifazată a consumatorilor hibrizi; 4. Sequ este puterea aparentă nominală a consumatorului; 5. Raportul de scurtcircuit Rsce reprezintă nu are aceeaşi semnificaţie cu raportul de scurtcircuit Rsc definit în

standardul IEC 61000-2-6. 6. I1 este curentul de referinţă fundamental iar In este armonica de ordinul n a curentului. 7. Factorul de distorsiune armonică PWHD este definit în subcapitolul 4.4.3. 8. Valorile limită admisibile ale curenţilor armonici individuali indicaţi în tabel se aplică fiecărui curent de linie, dar nu

şi curentului din conductorul neutru.

3.4.5 Prevederile referitoare la armonici ale standardului IEEE-519-1992 Standardul IEEE-519-1992 [2.6] indică valorile maxime ale armonicilor de curent în sistemele de distribuţie de uz general (U < 69 kV ) – tabelul 3.12 a, în sistemele de transport (69 kV < U < 161 kV) – tabelul 3.12 b și în sistemele de transport, generatoare dispersate şi cogenerare (U > 161 kV) – tabelul 3.12 c. Respectarea acestor limite cade în sarcina exclusivă a beneficiarilor serviciului de alimentare cu energie electrică (inclusiv a marilor consumatori industriali). Se observă faptul că cele mai restrictive limite sunt impuse domeniului în care raportul curenţilor de scurtcircuit Isc/Is are valori mai mici decât 20, deoarece această

100

valoare scăzută indică fie o impedanţă de valoare ridicată a sistemului de alimentare, fie prezenţa unui consumator important, fie ambele situaţii.

1) Valorile maxime ale armonicilor de ordin par reprezintă 25 % din valorile maxime ale armonicilor de ordin impar.

Suplimentar, nu sunt admise componente de curent continuu. 2)

Toate echipamentele de producere a energiei electrice sunt limitate la aceste valori maxime ale raportului Isc/Is, în care:

Isc este valoarea maximă a curentului de scurtcircuit în PCC.

Is este valoarea efectivă a armonicii de ordinul 1 (fundamentalei) a curentului de sarcină maxim cerut.

Se observă faptul că cele mai restrictive limite sunt impuse domeniului în care raportul curenţilor de scurtcircuit Isc/Is are valori mai mici decât 20, deoarece această valoare scăzută indică fie o impedanţă de valoare ridicată a sistemului de alimentare, fie prezenţa unui consumator important, fie ambele situaţii. Este mult mai probabil ca distorsiunile armonice ale tensiunii să apară ca rezultat al curenţilor armonici injectaţi în PCC în care raportul curenţilor de scurtcircuit este mic, acest fapt justificând şi limitele mai severe impuse situaţiilor în care valoarea raportului este mică. Standardul IEEE-519-1992 [2.6] specifică, de asemenea, şi valorile maxime admisibile pentru distorsiunile armonice ale tensiunii, aşa cum sunt prezentate în tabelul 3.13. Respectarea acestor limite cade în sarcina exclusivă a furnizorului serviciului de alimentare cu energie electrică.

Tabelul 3.13 - Valorile maxime ale armonicilor de tensiune în conformitate cu standardului IEEE-519-1992

Tensiunea liniei de alimentare în PCC Armonici Individuale THD

< 69 kV 3,00 % 5,00 %

69 kV – 161 kV 1,50 % 2,50 %

> 161 kV 1,00 % 1,50 %

3.4.6 Prevederile referitoare la armonici ale standardului EN-50160

Tabelul 3.12 – Valorile maxime ale armonicilor de curent de ordin impar 1) conform standardului IEEE-519-1992

a – în sistemele de distribuţie de uz general (U < 69 kV)

Isc/Is 2) n < 11 11 ≤ n < 17 17 ≤ n < 23 23 ≤ n <35 35 ≤ n TDD

< 20 4,00% 2,00% 1,50% 0,60% 0,30% 5,00%

20 - 50 7,00% 3,50% 2,50% 1,00% 0,50% 8,00%

50 - 100 10,00% 4,50% 4,00% 1,50% 0,70% 12,00%

100 - 1000 12,00% 5,50% 5,00% 2,00% 1,00% 15,00%

> 1000 15,00% 7,00% 6,00% 2,50% 1,40% 20,00%

b – în sistemele de transport (69 kV < U < 161 kV)

Isc/Is 2) n < 11 11 ≤ n < 17 17 ≤ n < 23 23 ≤ n <35 35 ≤ n TDD

< 20 2,00% 1,00% 0,75% 0,30% 0,15% 2,50%

20 - 50 3,50% 1,75% 1,25% 0,50% 0,25% 4,00%

50 - 100 5,00% 2,25% 2,00% 0,75% 0,35% 6,00%

100 - 1000 6,00% 2,75% 2,50% 1,00% 0,50% 7,50%

> 1000 7,50% 3,50% 3,00% 1,25% 0,70% 10,00%

c – în sistemele de transport, generatoare dispersate şi cogenerare (> 161 kV)

Isc/Is 2) n < 11 11 ≤ n < 17 17 ≤ n < 23 23 ≤ n <35 35 ≤ n THD

< 50 2,00% 1,00% 0,75% 0,30% 0,15% 2,50%

>50 3,00% 1,50% 1,15% 0,45% 0,22% 3,75%

101

Standardul EN 50610 [2.23] precizează limitele armonicilor de tensiune până la ordinul 25. Coeficientul total de distorsiune armonică a tensiunii nu trebuie să depăşească 8% timp de 95% din durata unei săptămâni (vezi şi tabelul 2.5). În tabelul 3.14 sunt prezentate valorile armonicilor de tensiune de ordin până la 25 în punctul comun de conectare (exprimate în procente din tensiunea nominală Un), aşa cum sunt indicate în standardul EN 50160. Standardul stabileşte, de asemenea, ca valoarea coeficientului total de distorsiune armonică THD pentru primele 40 de armonici să nu depăşească 8 %.

Tabelul 3.14 - Valorile maxime ale armonicilor de tensiune în conformitate cu standardului EN 50610

Armonici de tensiune impare Armonici de tensiune pare

nemultiplu de 3 multiplu de 3

Ordinul n al armonicii

Valoare relativă (%)

Ordinul n al armonicii

Valoare relativă (%)

Ordinul n al armonicii

Valoare relativă (%)

5 6 3 5 2 2

7 5 9 1.5 4 1

11 3.5 15 0,5 6 0.5

13 3 21 0,5 8 0.5

17 2 >21 0,5 10 0.5

19 1.5 12 0.2

23 1.5 >12 0.2

25 1.5

3.4.7 Prevederile referitoare la armonici ale normativelor şi standardelor româneşti În România, în cadrul procesului de armonizare a legislaţiei interne cu cea Europeană, standardul EN 61000-3-2 a fost preluat integral sub numele SR EN 61000-3-2:2001 Compatibilitate electromagnetică (CEM). Partea 3-2: Limite - Limite pentru emisiile de curent armonic (curent absorbit de către aparat < 16 A pe fază). De fapt, acest standard se înscrie într-un ansamblu de normative şi standarde europene armonizate (între care se află şi seria de standarde EN 61000) adoptate în octombrie 2004. Lista completă a acestor standarde [2.18] este prezentată în Anexa A - Lista cuprinzând standardele române care adoptă standardele europene armonizate din domeniul compatibilităţii electromagnetice. Suplimentar, mai este în vigoare şi Normativul privind limitarea regimului nesimetric şi deformant în reţelele electrice PE 143/94. Nivelurile limită pentru armonicile de curent prevăzute de acest normativ corespund celor din standardul IEEE 519-1992 [2.6] iar nivelurile limită pentru armonicile de tensiune sunt cele din standardul IEC/EN 61000-3-2. 3.5 Concluzii Cu toate că, poate, la o primă vedere, problema regimului deformant şi a armonicilor părea a fi unul dintre multele aspecte evidenţiate cu ocazia prezentării categoriilor şi caracteristicilor tipice ale fenomenelor electromagnetice (vezi cap. 2.3.5.2 şi tabelul 2.2), se observă ca fiind mai mult decât evident faptul că regimul deformant şi armonicile reprezintă, poate, cel mai important şi mai dinamic domeniu al perturbaţiilor electromagnetice.

102

Datorită varietăţii şi complexităţii problematicii legate de regimului deformant în reţelele de alimentare cu energie electrică şi, mai ales, permanentei evoluţii a acesteia, comunitatea tehnico-ştiinţifică internaţională a încercat analizarea cât mai detaliată a problematicii, cât şi reglementarea cât mai completă a acesteia. Se remarcă, într-o primă fază, marea varietate de echipamente generatoare de armonici. Aceste echipamente aparţin, fie domeniului industrial, unde se remarcă consumatori care au, de regulă puteri absorbite de valori mari, fie sunt consumatori din categoria publică privată, caracterizatăp de consumatori care au, de regulă puteri absorbite de valori mici, dar care sunt în număr foarte mare comparativ cu prima categorie. Se observă, de asemenea, tendinţa de creştere continuă a numărului acestor consumatori generatori de regimuri deformante, cu implicaţii aproape incalculabile asupra efectelor asupra reţelelor de alimentare cu energie electrică şi asupra celorlaţi consumatori conectaţi la aceleaşi reţele de alimentare. Mai trebuie subliniat faptul că, simultan cu creşterea explozivă a numărului şi varietăţii echipamentelor generatoare de regimuri deformante, se înregistrează şi apariţia unor echipamente foarte sensibile la acest tip de perturbaţii, fapt care complică în mod dramatic, uneori, problemele legate de alimentarea cu energie electrică. În scopul rezolvării problemelor menţionate, în cadrul comunităţilor tehnico-ştiinţifice naţionale, europene şi internaţionale s-au făcut şi se fac, în continuare, eforturi susţinute pentru reglementarea aspectelor legate de problemele regimului deformant şi ale armonicilor. Regimul deformant şi emisiile armonice fac obiectul mai multor tipuri de reglementări şi standarde, cum ar fi:

Standarde de compatibilitate pentru reţelele de distribuţie a energiei electrice;

Standarde de emisii armonice care se aplică echipamentelor producătoare de armonici;

Recomandări furnizorilor de energie electrică aplicabile instalaţiilor beneficiarilor. În scopul atenuării rapide şi eficiente a armonicilor, în momentul de faţă se află în vigoare şi acţionează un sistem de standarde triplu, după cum urmează:

Standarde care guvernează compatibilitatea dintre reţelele de distribuţie a energiei electrice şi beneficiarii acesteia, determinând gradul de compatibilitate necesar

dintre acestea. Perturbaţiile armonice provocate de echipamente nu trebuie să perturbe reţeaua de distribuţie mai mult decât în cadrul unor limite prestabilite. Totodată, fiecare echipament trebuie sa fie capabil să funcţioneze normal în prezenţa perturbaţiilor al căror nivel nu depăşeşte anumite limite specificate. Printre aceste standarde se numără: - Standardul IEC 61000-2-2 Ed. 2.0:2002 [3.27] pentru reţelele publice de

distribuţie a energiei electrice; - Standardul IEC 61000-2-4 Ed. 2.0:2002 [3.29] pentru reţelele de distribuţie

industriale şi altele decât publice de distribuţie a energiei electrice.

Standarde care guvernează calitatea reţelelor de distribuţie a energiei electrice. Printre aceste standarde se numără: - Standardul EN 50160 [2.1], [2.23] indică caracteristicile energiei electrice

furnizate prin intermediul reţelelor de distribuţie publice; - Standardul IEEE 519-1992 [2.6] prezintă o abordare comună din punctul de

vedere atât al furnizorului cât şi al beneficiarului privitoare la limitarea impactului consumatorilor neliniari. Suplimentar, furnizorii de energie electrică

103

încurajează acţiunile preventive cu rol de îmbunătăţire a calităţii energiei electrice şi a factorului de putere.

Standarde care guvernează echipamentele consumatorilor. Printre aceste standarde se numără: - Standardul IEC 61000-3-2 Ed. 3.0 b:2005 [3.26] sau EN 50160 [2.1], [2.23]

pentru echipamente de JT cu un curent nominal maxim de 16 A; - Standardul IEC 61000-3-12 Ed. 1.0:2005 [3.28] sau EN 50160 [2.1], [2.23]

pentru echipamente de JT cu un curent nominal cuprins între 16 A şi 75 A. Se observă complexitatea activităţii de normare / standardizare a acestui domeniu, cauzată, în principal, de câţiva factori, dintre care, cei mai importanţi sunt:

Regimul deformant este un rezultat comun al acţiunilor furnizorilor de energie electrică şi, în special, al consumatorilor acestui produs.

Evoluţia tehnologică (în special a domeniului electronicii de putere) face ca acest domeniu al regimului deformant să fie unul dintre cele mai dinamice din tot spectrul tehnic şi tehnologic mondial. Ca un exemplu, reglarea prin modificarea frecvenţei a turaţiei motoarelor asincrone trifazate prin intermediul convertizoarelor statice de frecvenţă reprezintă o soluţie elegantă şi profund perturbatoare, în ipoteza omiterii (cu bună ştiinţă – din motive ce ţin de costuri sau din ignoranţă) a echipamentelor de atenuare a armonicilor generate de acest tip de echipamente. Un alt exemplu îl constituie utilizarea aproape exclusivă a surselor de alimentare în comutaţie (datorită evidentelor avantaje legate de gabarit, greutate şi costuri) pentru toate tipurile de consumatori de mică şi medie putere.

Furnizorii de energie electrică şi consumatorii acestui produs fac parte, prin definiţie, din tabere cu interese divergente, dacă nu chiar opuse.

Se mai observă, de asemenea că, în pofida dorinţei şi eforturilor de corelare şi uniformizare a activităţilor de normare şi standardizare în acest domeniu, limitele stabilite variază de la standard la standard, urmând ca, în viitor, să se încerce găsirea unui numitor comun, lucru destul de greu de realizat, mai ales în cadrul unui domeniu caracterizat de dinamicitate atât de pronunţată. Bibliografie [3.1] Pop, F. “Curs de Instalaţii electrice – Capitolul 9“,

http://www.cs.ubbcluj.ro/~hfpop/florin/studenti/an-5-instalatii/Cursuri/Curs10-Deformant.pdf;

[3.2] Berthet, L., Boudou, D.,. Mamo, X. “Initial results of the harmonic measurement campaign on the French low voltage networks“, http://www.cired-s2.org/Sessions/2001/Documents/Papers/2_37.PDF#search=%22distortion%20limits%20%22hv%20networks%22%2061000%22;

[3.3] *** IEC 60892 Ed. 1.0 b:1987 “Effects of unbalanced voltages on the performance of 3-phase cage induction motors”;

[3.4] Chapman, D. “Harmonics - Causes and Effects“ http://www.cda.org.uk/megab2/elecapps/PQ_Guide/31-causes-and-effects.pdf tradus în http://www.sier.ro/Articolul_3_1.pdf;

[3.5] *** IEC/EN 62040-3 “Uninterruptible power systems (UPS) Part 3: Method of specifying the performance and test requirements“;

[3.6] Antoniu, I. S., “Étude du fonctiononnement des appareils de mesure dans un régime déformant - Thése“, Imprimeria Naţională, Bucureşti, 1949;

104

[3.7] Antoniu, I. S., “Funcţionarea aparatelor de măsură de inducţie într-un regim deformant“, Electricitatea, 2(8):17-18, 1951;

[3.8] Antoniu, I. S., “Funcţionarea wattmetrelor în regim deformant“, Metrologie aplicată, 1(2):21-25, 1954;

[3.9] Antoniu, I. S., “Măsurarea puterii şi energiei reactive“, Studii şi cercetări de Energetică, 4(1):39-61, 1954;

[3.10] Antoniu, I. S., “Chestiuni speciale de electrotehnică“, Ed. Academiei RPR, 1956; [3.11] Antoniu, I. S., “Funcţionarea contoarelor de inducţie într-un regim deformant“,

Buletinul IPB, 18(3-4), 1956; [3.12] Antoniu, I. S., “Mesure de la pussance réactive en régime déformant“, Rapport

no. 301, CIGRÉ, PARIS, 1958; [3.13] Antoniu, I. S., “Mesure de la puissance réactive en régime déformant“, Buletinul

IPB, 20(4):75-84, 1958; [3.14] Antoniu, I. S., “Mesure des grandeurs fondamentales électroénergétique em

régime déformant“, Acta IMECO, Budapesta, 1961; [3.15] Antoniu, I. S., “Bazele electrotehnicii, volumul II“, Ed. Didactică şi Pedagogică,

Bucureşti, 1974; [3.16] Antoniu, I. S., Moraru, A., Ocnaşu, I., Zissu, S., “Funcţionarea motorului

asincron cu rotorul în colivie, în regim deformant de tensiune“, Electrotehnica,22(5-6), 1974;

[3.17] Böning, W., “Influenţa armonicilor tensiunii asupra factorului de pierderi al izolaţiilor maşinilor“, ETZ-A, 84(22):717-722, 1963, Traducere limba română în Energetică, Electrificare, Electrotehnică, Caiet selectiv, 7, pag.437-444, IDT, 1964;

[3.18] Budeanu. C. I., Antoniu, I. S., “Asupra problemei măsurătorilor de puteri şi energii electrice într-un regim deformant“, Electricitatea, 2(1):9-15, 1951;

[3.19] Budeanu, C. I., Antoniu, I. S.,“Identificarea fenomenelor deformante în întreprinderile industriale de electricitate“ Studii şi Cercetări de Energetică VII, 7(1):93-116, 1957;

[3.20] Budeanu, C. I., Antoniu, I. S. Pomârleanu, M., “Le fonctionnement du moteur d’induction à cage d’ecureuil dans régime déformant de tension“ Revue d’Énergétique, 3(2):239-249, 1958;

[3.21] Chiuţă, I. N., Conecini, I., “Compensarea Regimului Energetic Deformant“, Ed. Tehnică, Bucureşti 1989;

[3.22] Chiuţă, I. N., Radu, C., “Ion S. Antoniu şi regimul deformant“, sub egida UPB şi RENEL-GTDEE, Bucureşti 1995;

[3.23] Nicolae, P. M., “Probleme generale şi situaţia actuală în studiul regimului deformant şi nesimetric. Referat doctorat“, Bucureşti 1993;

[3.24] Puşcaşu, S., Marcovici, J., “Mărimi şi regimuri electrice nesinusoidale“, Ed. Scrisul Românesc, Craiova, 1971;

[3.25] Schneider Electric - "Electrical installation guide 2005, Detection and filtering of harmonics", www.electrical-installation.merlingerin.com/guide/pdf_files/L06-09.pdf;

[3.26] *** IEC 61000-3-2 Ed. 3.0 b:2005 ”Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 3-2: Limits - Limits for harmonic current emissions (equipment input current ≤ 16 A per phase)”;

[3.27] *** IEC 61000-2-2 Ed.2:2002 ”Electromagnetic Compatibility (EMC) - Part 2-2: Environment - Compatibility levels for lowfrequency conducted disturbances and signalling in public low-voltage power supply systems”;

[3.28] *** IEC 61000-3-12 - Ed. 1.0:2005 ”Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 3-12: Limits - Limits for harmonic currents produced by equipment connected to public low-voltage systems with input current >16 A and <=75 A per phase”;

105

[3.29] *** IEC 61000-2-4 Ed. 2:2002 ”Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 2-4: Environment - Compatibility levels in industrial plants for low-frequency conducted disturbances”;

[3.30] *** Detection and filtering of harmonics, http://www.electrical-installation.merlingerin.com/guide/pdf_files/L01-05.pdf;

[3.31] Roşca, M., Lazăr, Ş “Harmonic Currents - Causes, effects and remedia“, Buletinul Ştiinţific al UTCB nr. 2/2002 pag. 48 -56, ISSN-1224-628X;

[3.32] Roşca, M., “Supraîncărcarea conductoarelor neutre ale instalaţiilor electrice datorată receptoarelor neliniare“, A X-a Conferinţă "Eficienţă, confort, conservarea energiei şi protecţia mediului" Bucureşti, 27 - 28 oct. 2003;

[3.33] Roşca, M., “Topologii moderne de UPS-uri“, A 41-a Conferinţă Naţională de Instalaţii “Creşterea performanţei energeticea clădirilor şi instalaţiilor aferente“, Sinaia, 19 - 21 oct. 2006, pag. 158 – 164, ISBN (10) 973-755-094-3, ISBN (13) 978-973-755-094-1